王暉

【摘 要】在本文中，主要詳細分析單元天線、列陣天線的具體設計方式，最后對Ka波段圓極化平板陣列天線進行仿真，總結其最終的結果?；诒疚难芯?，目的是為相關人員提供借鑒，優(yōu)化Ka波段圓極化平板陣列天線的設計方式，提高其運行的穩(wěn)定性。

【關鍵詞】Ka波段;圓極化;平板陣列天線;單元天線;陣列天線

中圖分類號： TN822文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0033-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.016

Research on Design of Ka-band Circularly Polarized Flat Array Antenna

WANG Hui

（Gansu Changfeng Electronic Technology Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 730070， China）

【Abstract】In this paper， the specific design methods of unit antenna and array antenna are mainly analyzed in detail. Finally， the Ka-band circularly polarized flat panel array antenna is simulated and the final result is summarized. Based on the research in this paper， the purpose is to provide reference for relevant personnel to optimize the design of Ka-band circularly polarized planar array antenna and improve the stability of its operation.

【Key words】Ka-band; Circular polarization; Planar array antenna; Unit antenna; Array antenna

1 Ka波段圓極化平板陣列天線的具體設計

1.1 單元天線的設計

在圓極化平板陣列天線中（如圖1所示），單元天線的設計是其中重要的設計工作內容。具體而言，單元天線的輻射體主要運用十字柵格、漸變喇叭的結構進行設計。其中，十字格柵需要設置在階梯喇叭天線的最上層階梯內，而喇叭口需要分為4份。這一設計方式相當于將同一個喇叭設置成為4個相同的輻射單元。漸變喇叭是對普通喇叭天線的調整、變形?；诖?，能夠通過對階梯喇叭不同階梯高度、面口的調節(jié)，實現(xiàn)對喇叭天線不同阻抗的合理匹配。在圓極化平板陣列天線中，如果不想出現(xiàn)柵瓣，則應該將條件設置為：d<λ/（1+sinθ）。其中，d表示單元天線之間的間距;θ表示天線的掃描角度;λ表示天線頻率所對應自由空間波長。如果在不掃描的情況下，天線的掃描角度為0度，所以d<λ則為不出現(xiàn)柵瓣的主要條件。對于方形天線的輻射口面而言，要想滿足波傳輸?shù)臈l件，則需要保證a>λ/2。其中，公式中的a表示圓極化平板陣列天線輻射口面的邊長。

根據公式d<λ、a>λ/2可知：對于方形喇叭而言，為了實現(xiàn)喇叭陣列天線輻射的目的，同時不出現(xiàn)任何柵瓣，則應該保證半個工作波長小于輻射單元的口徑，同時一個工作波長還應該大于輻射單元之間的間距。一方面，對于輻射單元天線來說，如果其自身的輻射口徑電場有著均勻地分布效果，則可以有效提高天線的輻射效率。另外，要想獲得更高的輻射效率，還應該盡可能減少輻射單元的實際口徑。另一方面，波導陣列天線的單元饋電使用了波導結構。由于該結構有著相對較大的尺寸，所以應該增加單元之間的間距，從而為饋電網絡的布置提供充足的空間。綜合單元的天線效率、饋線網絡布置，主要包含兩個因素，即輻射單元間距為0.8的工作波長、喇叭天線間距為1.6的工作波長。其中，圓極化平板陣列天線的隔板圓極化器屬于3端口器件，能夠很容易地將兩路線極化信號轉變?yōu)樽笥倚龍A極化信號。基于此，可以彰顯圓極化平板陣列天線的軸比特性、寬帶等方面的優(yōu)勢。在本文的設計中，提出天線單元通過隔板圓極化器的方式進行直接饋電，以此來實現(xiàn)圓極化平板陣列天線的能力。將其應用在315GHz的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)單元天線的整體方向良好，同時具較強的對稱性、增益性。圖1為單元天線模型圖與相關參數(shù)變量。

1.2 列陣天線的設計

在圓極化平板陣列天線的設計中，同樣不能忽視列陣天線的內容。具體來說，實際設計的過程中，由于天線單元之間的間距會形成限制，所以要想實現(xiàn)對饋電網絡空間的縮小，筆者在設計中運用E面T形分網絡，實現(xiàn)向不同喇叭單元天線進行饋電的目的。在設計中，由于圓極化平板陣列天線為8*8的子陣仿真模型，因此其中的左右旋圓極化所對應的饋電網絡，應該進行分層設置。不僅如此，未來對圓極化平板陣列天線的饋電網絡結構進行簡化，模型中安裝的隔板圓極化器階梯，應該對四個不同的單元進行反向設置。采用此種方式進行設計，能夠保證陣列中所有圓極化方向均具有一致的效果。在圓極化平板陣列中，上層、下層的饋線網絡主要采用E面T形功分器級聯(lián)進行設計[2]。

為了能夠有效減少天線方位面中差生的復瓣，必須對該天線中的饋電網絡功分進行不等設置，實現(xiàn)12*4子陣中對饋電電平的錐削分布。采用此種方式進行設計以后，圓極化平板陣列天線中會包含12*16個單元數(shù)，其分別對應的外形尺寸等于246毫米*39毫米*186毫米。正是因為這樣的設計方式，可以保證圓極化平板陣列天線穩(wěn)定運行，強化其衛(wèi)星通訊的穩(wěn)定性。最后，則能夠對圓極化平板陣列天線進行整體設計。具體而言，在具體陣列中采用并聯(lián)的方式進行饋電。由于兩種不同的結構功分器，是通過級聯(lián)的方式而形成的，并運用波導饋電的形式實現(xiàn)饋電目的。

2 Ka波段圓極化平板陣列天線的仿真結果

2.1 仿真結果

為了對本文所設計的圓極化平板陣列天線效果進行分析，筆者運用電磁仿真軟件HFSS進行仿真分析。具體來說，運用HFSS對圓極化平板陣列天線中的2*2子陣進行建模處理、優(yōu)化分析，然后運用Uwave對饋線網絡進行相應的設計、優(yōu)化，同時將子陣、網絡進行組合，最終完成Ka波段圓極化平板陣列天線的設計。在仿真分析的過程中，發(fā)現(xiàn)在30GHz典型頻點的背景下，所形成Ka波段圓極化平板陣列天線方向圖顯示為饋電端口呈現(xiàn)出左旋圓極化的特征。因此，說明該條件下并不會產生柵瓣的現(xiàn)象。同時，仿真結果顯示第一副瓣電平在-17dB之下，主輻射方向的交叉極化電平則在40dB之上。另外，通過HFSS仿真分析能夠得出Ka波段圓極化平板陣列天線輻射方向的左右旋軸比的曲線圖：Ka波段圓極化平板陣列天線右旋軸比，在29.5GHz之前一直低于左旋的軸比;29.5GHz至30.8GHz之間，右旋軸比則高于左旋軸比;最后在33GHz附近時二者趨于相同。需要注意的是，在28GHz至31.5GHz之間時，右旋軸比、左旋軸比之間的差異在1dB之間。由此能夠說明，Ka波段圓極化平板陣列天線在運行過程中，能夠形成良好的雙圓極化輻射特性。

除此之外，運用HFSS對Ka波段圓極化平板陣列天線進行仿真分析，可以得出天線增益、效率隨頻率變化的對應曲線。（1）在27GHz至31.5GHz頻段之間，Ka波段圓極化平板陣列天線的左旋效率、右旋效率基本呈現(xiàn)出一致的狀態(tài);在31.5GHz至32.3GHz頻率之間，右旋頻率則低于左旋頻率;在32.3GHz至33GHz頻段之間，右旋頻率則高于左旋頻率。（2）在27GHz至33GHz頻段之間，Ka波段圓極化平板陣列天線的右旋增益、左旋增益，其變化趨勢明顯一致，同時數(shù)值也基本相同。

2.2 結果分析

結合對Ka波段圓極化平板陣列天線的仿真分析能夠發(fā)現(xiàn)，平板陣列天線具有體積小、風阻小、重量輕、安裝使用方便的優(yōu)勢，同時內部還在內部設置了高頻頭，以此來使天線與高頻頭實現(xiàn)一體化的目的。因此，能夠為日后調節(jié)提供便利。正因如此，Ka波段圓極化平板陣列天線在實際應用中，可以獲得良好的衛(wèi)星通訊效果，特別適合應用在直播星電視的信號接收中，并且可以獲得較強的通訊增益，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。簡言之，在Ka頻段的條件下運行，圓極化平板陣列天線能夠達到理想的效果，彌補傳統(tǒng)天線模式存在的不足，解決衛(wèi)星信號傳輸?shù)馁|量問題，滿足更多用戶的相關需求。由此發(fā)現(xiàn)，將Ka波段圓極化平板陣列天線應用在衛(wèi)星通訊中，能夠獲得良好的效益[3]。

3 結語

綜上所述，以高機動平臺為分析分析，本文獲取了Ka波段圓極化平板陣列天線的基本特點，并將其作為基礎設計了一個低剖面、高增益的陣列天線。通過對天線分層設計、優(yōu)化與調整，并運用HFSS對其進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)本文所設計的Ka波段圓極化平板陣列天線，能夠在實際應用中獲得良好的效果，彌補傳統(tǒng)天線衛(wèi)星通訊中存在的不足，提高信號的穩(wěn)定性。因此，將圓極化平板陣列天線應用在Ka波段中，具有較強的必要性。

【參考文獻】

[1]毛譽杰.Ka波段寬帶圓極化微帶陣列天線研究與設計[D].南京理工大學，2018.

[2]仵娜，徐建凱，吳文.Ka波段SIW饋電的圓極化貼片陣列天線設計[J].微波學報，2015，31（S2）：64-67.

[3]汪敏，仵娜，胡磊.Ka波段SIW饋電的圓極化貼片陣列天線設計[A].中國電子學會微波分會：《微波學報》編輯部，2015：4.