图1 宽带双圆极化波导天线阵列
张洪涛1,汪 伟1,梁仙灵2,金谋平1,卢晓鹏1,3
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.上海交通大学电子工程系,上海200240;3.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,安徽合肥230088)
摘 要:基于波导损耗小、易加工等特点,设计了一种应用于卫星通信系统的新型X波段宽频带低轴比双圆极化波导阵列天线。采用平面方形喇叭阵列、正交模耦合器和波导窄边耦合功分器来实现双圆极化的工作方式。据此设计,加工了一套16×16单元天线阵列,尺寸大小为440 mm×440 mm×50 mm。采用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真设计,详细介绍了该天线的设计方法,测试结果和仿真结果吻合良好。测试结果表明,该天线在12%的工作频段内轴比优于1.5 dB,驻波比优于1.6,带内增益大于31.0 dB,天线辐射效率优于80%。
关键词:X波段;宽带;双圆极化;低轴比;波导阵列天线
随着卫星通信、遥控遥测技术的发展,雷达应用范围的扩大,以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要,单一线极化方式已远难满足要求,圆极化天线的应用就显得十分重要。圆极化波具有抗云雨衰减、抗多径衰减、可消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变的影响等优点。因此,圆极化天线广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等领域。
卫星通信系统在保障偏远地区、各行各业部门及海上作业等信息传输中发挥了极其重要的作用,尤其在应对地震灾害和地区军事冲突中发挥着关键作用。
在卫星通信领域,圆极化天线因其可抑制雨雾的去极化效应和抗多径衰减等效应,而被广泛应用于该领域。
新一代固定卫星通信系统和移动卫星通信系统[1]要求天线系统具有低剖面、重量轻和可移动的大容量通信。平板天线是满足卫星通信系统需求的最佳选择[2]。微带贴片天线[3]常用来作为平板天线的辐射单元,但是波导缝隙天线由于其易加工、低损耗、高效率,尤其对于X波段平板阵列天线,更加适宜于作为阵列天线的辐射单元[4-6]。因此,对于X波段的卫星通信系统,需要低剖面、重量轻、尺寸小、效率高、增益大的平板阵列天线[7]。
本文介绍了一种X波段16×16单元双圆极化宽带波导平面天线阵设计,其辐射单元采用方形喇叭口,通过正交模耦合器和平面波导网络、矩形波导窄边耦合功分网络实现双圆极化的性能。
该天线为宽带、低轴比双圆极化波导天线,具有大带宽(优于12%)、低轴比(小于1.5 d B)、高效率(大于80%)等优点。整个天线采用成熟的缝隙波导天线加工工艺,材料单一,加工难度低,自身强度高,工作可靠。
本天线采用16×16辐射喇叭单元组成的平板双圆极化天线阵列,该阵列天线由辐射喇叭栅格单元、正交模耦合器、平面矩形波导网络和矩形波导窄边耦合功分网络等组成,如图1所示。
图1 宽带双圆极化波导天线阵列
为实现喇叭口面电流的均匀分布,采用矩形栅格把单个喇叭口径划分为2×2的辐射单元(如图2所示),从而改善天线口面的电流分布,提高阵列天线的方向系数。
图2 矩形波导喇叭栅格
正交模耦合器的结构如图3所示,其主要功能是合成或分离两正交模式,广泛应用在卫星通信、雷达系统和射电天文中。正交模耦合器按照工作范围可以分为窄带正交模耦合器(通常小于10%)和宽带正交模耦合器。对于宽带正交模耦合器,结构众多,常见的如鳍线、四脊、十字专门、Boifot、双脊和对称负反馈,它们各具特点,但是作为阵列天线的一部分,其结构都较复杂和庞大。采用图3所示的新型正交模耦合器,可以大大降低整个阵列天线的复杂度,而且其工作带宽、交叉极化都比较优越。
图3 正交模耦合器示意图
两个极化采用的馈电网络如图4所示,采用平面矩形H-T结构的网络,可以大大降低天线的厚度,而且可以增加天线的工作带宽,获得宽频带下较好的电性能指标。
图4 平面矩形波导网络
采用获得频带内双圆极化工作的方式,采用如图5所示的波导窄边耦合功分网络,可以在较宽的频带内获得性能较好的90°相位差[8],如图6所示。
图5 矩形波导窄边耦合功分网络
图6 窄边耦合功分网络端口相位差
最终设计完成的16×16单元的宽频带低轴比双圆极化波导阵列天线阵结构如图7所示。整个天线阵面共分为6层结构,各层零件采取精密机械加工一次成型,多板之间采用真空钎焊焊接技术,加工而成的实物照片如图8所示。
图7 16×16单元天线阵示意图
图8 16×16单元天线阵实物照片
在平面近场暗室内对该天线的各项性能指标进行了测试,结果表明该天线在7.9～9.0 GHz设计频带内驻波比优于1.6,轴向轴比优于1.5 dB。
天线端口驻波比仿真与测试结果如图9所示,结果显示天线阵在7.9～9.0 GHz频带内驻波比优于1.6,与仿真结果很好吻合。
带内典型的方向图和轴比测试结果如图10～12所示。对于左旋圆极化和右旋圆极化,测试的最大副瓣电平小于-13 dB,测试的轴比优于1.5 dB。
天线阵带内增益测试结果如图13所示,在整个工作频带内增益大于31 dB,天线的效率大于80%。
图9 24×16单元天线阵驻波测试曲线
图10 边频7.9 GHz方向图和轴比测试结果
图11 中频8.5 GHz方向图和轴比测试结果
图12 边频9.0 GHz方向图和轴比测试结果
图13 带内增益测试结果
本文介绍了一种新颖的X波段16×16单元宽带低轴比双圆极化波导阵列天线的设计,该天线为多层板结构,采用精密机械加工和真空钎焊焊接成形。为实现宽带双圆极化工作,采用了一种新颖的低剖面正交模耦合器和波导窄边耦合功分网络。最终实现了在工作频带7.9～9.0 GHz的带宽内,天线的两个极化端口驻波比都小于1.6,轴向轴比优于1.5 d B,增益大于31 d B,天线效率优于80%,两个主切面远场方向图的第一副瓣电平小于-13.0 d B。结果表明,该宽带低轴比双圆极化天线可用于移动卫星通信系统中。
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Design of a Dual Circular Polarization Waveguide Antenna Array with Wide Band and Low Axial Ratio
ZHANG Hongtao1,WANG Wei1,LIANG Xianling2,JIN Mouping,LU Xiaopeng1,3
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Department of Electronic Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,China;3.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)
Abstract:Considering the small loss and easy fabrication of waveguide,a novel dual circular polarization waveguide antenna array with wide band and low axial ratio is presented at X-band for satellite communications.Planar horn array is used to attain dual circular-polarization working with orthomode and rectangular side wall coupler.A demo array of 16×16 elements is designed,manufactured and tested.This antenna is low-profile and modular with dimensions of 440 mm×440 mm×50 mm.The antenna is simulated and designed by Ansoft HFSS.The complete design of the antenna is shown,and the measurements are compared with simulations to reveal very good agreement.The experimental results show that the axial ratio is less than 1.5 dB and the VSWR is less than 1.6 in the operation frequency band.
Key words:X band;wide band;dual circular-polarization;low axial ratio;waveguide array antenna
中图分类号:TN828.5;TN822+.8
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)01-0050-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.009
收稿日期:2016-03-03;
修回日期:2016-11-20
作者简介:
张洪涛男,1980年生于河南,硕士,中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师,主要从事天馈系统的设计。E-mail:zhangfan0826@126.com
汪伟男,1969年生于安徽,博士,中国电子科技集团公司第三十八研究所研究员,主要从事天线与微波系统的研究工作。
梁仙灵男,1978年生于浙江,博士,上海交通大学副教授,主要研究领域为现代天线理论与技术、有源相控阵、DBF阵列。
金谋平男,1968年生于安徽,博士,中国电子科技集团公司第三十八研究所研究员,主要从事天线与微波系统的研究工作。
卢晓鹏男,1976年生于安徽,中国电子科技集团公司第三十八研究所研究员,主要从事天线与微波系统的研究工作。