宋长宏;吴;张文静
【摘 要】The cross-polarizations and the polarization port isolation performance of conventional dual-polariza-tion waveguide slotted array antennas are poor,especially difficult to realize co-aperture dual-circularly-polariza-tion radiation.A novel dual-circularly-polarization waveguide array antenna at K-band is studied.The high-effi-ciency dual-polarized co-aperture radiation element,wide-band polarizer,low loss feed network are discussed, simulated and optimized by software.A prototype has been made and tested.The measured results show that waveguide array antennas proposed have the characteristics of high-efficiency,wide-band of axial ratio,and high-isolation.%传统的双极化波导缝隙天线阵每种极化方式交叉极化较差，极化端口隔离度不高，尤其实现共口径辐射难度较大。介绍了一种 K 波段双圆极化波导阵列天线设计方法，重点讨论了高效率共口径双极化辐射单元、宽带圆极化器、低损耗波导馈电网络。利用仿真软件进行了优化仿真分析，在此基础上研制了样件，对其电性能进行了测量。测试结果表明，此双圆极化波导阵列天线具有效率高、轴比带宽宽、隔离度高等特点。
【期刊名称】《系统工程与电子技术》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】双圆极化;极化器;轴比;隔离度
【作 者】宋长宏;吴;张文静
【作者单位】哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001; 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081
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【正文语种】中 文
【中图分类】TN82
随着卫星通信技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，不仅要求天线实现小型化、低轮
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廓、低成本，还要求天线具有宽频带、多频工作、极化分集、多业务融合的特点。同时圆极化天线具有抗干扰强，能够接收任意极化的来波，发射的圆极化波可以被任意极化天线所接收，且圆极化天线具有抗多径的效果，因此越来越受到关注，尤其广泛应用在卫星通信系统中［12］。
圆极化阵列天线形式种类繁多，主要以微带天线和波导阵列天线为主［36］，微带天线具有易集成、加工精度高、低轮廓等特点，实现圆极化往往带宽较窄，尤其实现双圆极化结构复杂、馈线冗长、损耗较大，不适用于高频段卫星通信系统。波导阵列天线主要以波导缝隙阵为主，它的特点是可实现低副瓣、高效率、低损耗、低轮廓，但阻抗带宽较窄，实现圆极化多采用不同形式的极化栅，且多为单圆极化辐射［710］。
本文介绍了一种双圆极化波导阵列天线，辐射单元为方口喇叭，在腔体上开圆形缝隙，实现对方口喇叭的馈电，采用隔板极化器实现左右旋极化，利用E-T波导功分网络进行功率合成，天线阵列结构紧凑、圆极化轴比带宽宽、辐射效率高。
如图1所示，天线辐射单元由方口喇叭、圆形缝隙、腔体和方波导组成，利用方波导实现对腔体的馈电，腔体上面所开的圆形缝隙在腔体上表面激励起电流，通过方口喇叭辐射到自
由空间。这种馈电结构实现了一个方波导同时馈电4个方口喇叭天线，与采用功分网络合成的传统阵列天线设计方法相比，具有插损低、结构简单的特点。
天线的工作频段为23～26 GHz，标准方波导尺寸C＝8．64 mm，腔体的高度H3决定天线驻波的谐振频率，通常取D＝λ／4（λ为中心频率对应的波长），腔体宽度B决定天线驻波的谐振深度，圆形缝隙的直径D、缝隙间距决定天线驻波的谐振位置和腔体表面电流幅度，喇叭口径尺寸A＝0.75λ，喇叭口最佳间距d2＝0.866λ。
利用三维电磁场仿真软件HFSS对波导阵列天线单元进行了优化仿真设计，确定了单元外形结构尺寸，其中高度H3＝2.4 mm，宽度B＝20 mm，喇叭口径尺寸A＝9 mm，高度H1＝3 mm，喇叭间距d2＝9.8 mm，圆形缝隙直径D＝7.2 mm，缝隙间距d1＝9．1 mm，方波导的尺寸为8．64 mm。如图2所示，分别给出了单元天线在频点23 GHz、24．5 GHz、26 GHz时，yoz面和xoz面的辐射方向图，其中，横坐标角度0°对应天线口面法向方向。
从仿真结果可以看出，带宽内天线增益大于14．5 dB，依据增益与孔径面积关系可得口径辐射效率η带宽内大于85%，驻波带宽内小于1.5。增益与孔径面积关系为式中，G为天线增益；Ae为天线口径面积；λ为天线工作波长。
2.1 圆极化器设计
隔板圆极化器广泛应用在波导网络系统中，与传统极化器相比，它的特点是不需要外加正交器就可以实现左、右旋圆极化同时工作，且端口隔离、相位一致性、驻波、插损、耐功率等指标极易达到要求［1116］。图3为隔板极化器的外形结构图，隔板极化器在方波导中插入锯齿状隔板，波导的一端为双极化波入口，另一端分割为两个旋向的极化端口。
洗衣机水嘴隔板参考设计尺寸标注见图3（b），具体为：a1＝0.341λ，b1＝0.059λ，a2＝0.269λ，b2＝0.144λ，a3＝0.274λ，b3＝0.244λ，a4＝0.281λ，b4＝0.344λ，a5＝0.103λ，b5＝0.517λ，b6为方波导尺寸，根据馈电空间选择合适的尺寸a6，天线工作在K波段所以取隔板厚度δ＝0.5 mm。
2.2 圆极化天线单元
基于圆极化器的参考尺寸，在HFSS中建立了圆极化器和辐射单元一体化模型，如图4（a）所示，辐射单元分为左、右旋两个极化端口，通过调节隔板的几何参数，重点优化轴比和端口隔离指标。确定隔板尺寸为：a1＝4.09 mm，b1＝0.70 mm，a2＝1.722 mm，b
2＝2.927 mm，a3＝3.282 mm，b3＝2.927 mm，a4＝3.368 mm，b4＝4.123 mm，a5＝1.245 mm，b5＝6.2 mm，a6＝3 mm，b6＝8.64 mm。圆极化天线辐射单元轴比如图4（b）和图4（c）所示。
从图4（b）和图4（c）仿真结果可以看出，天线单元带宽内轴比小于2 dB，两极化的端口隔离带宽小于－30 dB。
3.1 功分网络设计
为了实现天线高增益辐射，需要对天线进行组阵设计，采用低损耗的波导功分网络进行功率合成，图5（a）为一分四波导合路器，倒向块实现了纵向网络转换成横向的合成网络，这样并馈合成网络将不再占用纵向空间，减小天线的厚度，利用匹配块可实现对网络的匹配调谐。
对5端口功分网络进行优化仿真设计，图5（b）为S参数曲线，端口1回波损耗带宽内小于－20 d B，传输常数为－6．1 d B，理论上网络插耗仅为0．1 dB。
3.2 天线阵列设计
天线阵列的整体结构可分为3层，分别为辐射层、极化器层、功分网络层，图6（a）给出了层与层之间的连接关系，对16×32天线阵进行了仿真、加工。实物图如图6（b）和图6（c）所示，利用数控分层加工工艺，并采用销钉、螺钉进行装配，保证了对电磁波的良好屏蔽。图7（a）～图7（c）给出了天线阵俯仰面（天线窄边）、方位面（天线长边）的方向图仿真和实测结果；图7（d）、图7（e）和图7（f）分别给出了S参数、轴比和口径效率的实测结果。
从图7样件实测结果来看，16×32天线阵列带宽内增益大于35 dB，回波损耗实测值有所恶化主要是因为加工精度、装配误差所致，带宽内小于－15 dB，仍满足设计需要。端口隔离参数S21、S12带宽内小于－25 d B，轴比小于3 dB的带宽为16．5%，频带内口面效率大于76%。
本文提出了一种缝隙耦合波导喇叭口辐射的双圆极化波导阵列天线，介绍了天线单元、极化器、功分网络的设计方法，并加工、测试了16×32阵列样件，测试结果达到了设计要求，口面效率大于76%。天线特点是低轮廓、高效率、双圆极化辐射、高隔离度。在要求小孔径天线的卫星通信系统中，具有很好的工程应用前景。
宋长宏（1980-），男，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为平面阵列天线、相控阵天线、共形天线设计与计算。
E-mail：songzanyi2011＠126．com
吴 （1955-），男，教授，博士，主要研究方向为射频／微波／毫米波器件与电路、天线与电磁兼容性、微波系统与测量技术。
E-mail：qwu＠hit．edu．cn
张文静（1962-），男，高级工程师，主要研究方向为卫星天线馈源系统研究。
E-mail：zhangwj＠cti．ac．cn
【相关文献】
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［2］Zhong S S，Kong L B，Gao C．Design of broad-band dual band dual-polarized share-aperture SAR antenna［J］．Journal of Electronics，2012，40（3）：542- 545．（钟顺时，孔令兵，高初．宽带双极化双波段共口径SAR天线设计［J］．电子学报，2012，40（3）：542- 545．）
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