0 引 言
随着现代雷达、卫星通信的飞速发展，电磁频谱资源越来越紧张，在广泛使用的微波频段低端，电磁干扰也越来越严重，因此电子信息系统的工作频段不断向Ku、Ka等较高频段发展。Ku频段无线通信系统具有很多优点，如具有全天候、大容量、双向实时性、任意地形、任意气象条件下不间断传输信号的特点，成为通信领域最具发展前途的方向之一[1]。
天线作为通信和雷达等电子信息系统的前端，对系统性能有着至关重要的影响。随着波束覆盖范围的扩大，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[2]，圆极化天线能降低多径效应导致的时延扩散，降低码间串扰，减少电离层引起的法拉第旋转效应和极化失配导致的极化损耗，同时收发天线之间的相对位置可以更加灵活，被广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等领域。
目前，应用比较广泛的Ku频段圆极化天线有微带贴片天线、波导缝隙天线、喇叭天线等[3-6]。微带贴片天线在尺寸、成本、极化实现方面有一定优势，且易于组阵、集成与共形，但由于在 Ku频段损耗包括介质损耗、欧姆损耗、辐射损耗等比较大，难以实现高天线效率；波导缝隙天线具有效率高、结构紧凑、机械强度高等特性，但局限于天线体制，组阵后无法实现两维宽角扫描；喇叭天线属于行波天线，工作带宽较宽，定向性强，但剖面高体积大的缺点无法满足新一代高速移动平台的要求。
为了获得高效率高增益的圆极化辐射性能，兼顾低剖面、强应力的结构优势，金属平板天线是较佳的选择。文献[7]介绍了一种全波导结构的双极化平板天线，采用分子扩散焊工艺加工，实现了双线极化的阵列构成，该天线辐射单元为十字槽，缝隙耦合馈电，天线工作带宽为11%；这种全波导阵列天线由于没有介质损耗，总效率很高，整个频段内大于70%，然而文章并没有给出圆极化的合成方式和预估性能。文献[8]设计一种16×16元高增益双圆极化平板天线，使用具有宽频特性的波导口径作为辐射单元，通过加载隔板来实现双圆极化。天线工作带宽大于 16%，工作频带内效率大于60%。这种全波导双圆极化天线具有宽带高增益特性，但隔板圆极化器的引入大大增加剖面高度，复杂的馈电网络降低了总效率。
针对现有全金属平板天线存在的问题，本文提出一种结构紧凑、材料单一、易于集成的全金属圆极化平板天线。该天线工作于Ku频段，由多层金属波导腔体一体化加工而成，加工难度低，环境适应性高，采用直接在辐射层实现圆极化的方式，降低了天线的剖面，具有高效率、高可靠性、高机械强度等优点。
1 天线单元设计
本文设计的圆极化平板天线的天线单元结构如图1所示，该天线由上到下依次为辐射层、谐振层及功分馈电网络层，各层皆为波导腔体结构，利用辐射层4×4元斜六边形开口波导腔直接实现圆极化，通过优化谐振层的梅花状波导腔体及功分馈电网络层的输出端口台阶大小，获得优良的阻抗匹配和圆极化性能。天线整体厚度小于半个波长。
图1 天线单元三维立体结构示意图
1.1 辐射层设计
辐射层结构如图2所示，采用4×4元呈沿斜45°方向均匀分布的六边形波导腔体，将馈入的信号分离形成相互正交相差90°的TE10模与TE01模，在辐射面满足形成圆极化波的条件。相邻六边形波导腔体间距dm=12.2 mm，每个六边形波导腔体的边长wm=11.5 mm。由于每2×2元六边形波导腔体对应一个谐振层馈电波导，相当于在辐射口面加载金属栅隔，有效抑制栅瓣，同时提高了口径效率。
图2 辐射层平面示意图
1.2 谐振层设计
谐振层结构如图3所示，由调节匹配的梅花状波导腔体和尺寸较小的方形波导腔组成。梅花状波导腔体的每个边中点处对称分布了4个同样尺寸的膜片，起到阻抗变换和模式变换的作用，大大提高天线的阻抗带宽，同时容性膜片易激励起高次模，与主模混合在辐射口径实现更加均匀的电场分布，提高天线口径效率。腔体方形波导腔连接底层波导馈电网络的功分端口，实现阻抗匹配与能量馈入。为了实现最佳匹配效果，经过参数优化后最终得到梅花状波导腔的膜片长度ma=5.2 mm，宽度mb=1.4 mm，方形波导腔的边长ms=10.4 mm。
图3 谐振层平面示意图
1.3 功分馈电网络层设计
功分馈电网络层结构如图4所示，采用结构紧凑的一分四E面波导功分器，在功分馈电网络的功分口设计了三层台阶改善匹配，每个台阶的长度相同，都为ms=10.4 mm，宽度从上到下依次为mt1=8.2 mm、mt2=6 mm、mt3=5.4 mm，输入总口为标准波导口。
图4 功分馈电网络层平面示意图
图5 天线单元端口驻波的仿真结果
利用高频电磁仿真软件HFSS对所设计的天线单元进行仿真计算与优化，端口驻波的仿真结果如图5所示，可以看到，其端口驻波在14.6～18.2 GHz的频率范围内小于2，相对阻抗带宽为21.95%；天线在各频点的法向轴比仿真结果如图6所示，可以看出，在15.8～16.7 GHz的频率范围内轴比小于3 dB，相对轴比带宽为5.45%。
图6 天线单元法向轴比带宽仿真结果
2 天线组阵及测试
基于已设计的4×4元圆极化平板天线单元，将其在两维平行扩展成12×12单元平板天线阵列，扩展后的阵列结构如图7所示。天线阵列的单元间距为52 mm，采用矩形均匀布阵形式，便于整体加工装配，易于集成T/R组件。该阵列由纯金属腔体组成，机械强度高，功率容量大，适合作为可拓展模块应用于大规模相控阵天线系统。
图7 天线阵列三维立体结构示意图
12×12单元平板天线阵列的加工实物如图8所示，采用真空钎焊焊接技术，精密机械加工一体化成型，加工流程简单易操作，成品率与可靠性高。
图8 12×12单元全金属圆极化平板天线实物图
在平面近场暗室内对平板天线阵中采样单元的各项电性能指标进行了测试，各个随机抽样单元在阵中的分布位置如图9所示，测试结果如图10～图14所示。可以看出，8个随机抽样单元在工作频带内有源驻波低于2，带内天线效率大于80%，天线辐射左旋圆极化波，中心频点波束宽度16.7°，法向的测试轴比低于1 dB，测试结果与仿真结果符合较好。
图9 随机抽样单元位置分布示意图
图10 阵中随机采样单元有源驻波测试结果
图11 阵中随机采样单元天线效率测试结果
图12 单元7中心频点法向轴比测试结果
图13 单元7中心频点H面方向图仿真与测试结果
图14 单元7中心频点E面方向图仿真与测试结果
3 结束语
本文介绍了一种工作在Ku频段的全金属圆极化平板天线，采用多层波导腔结构，利用4×4元斜六边形开口波导腔直接实现圆极化，基于4×4元天线单元组成12×12单元天线阵列，分层精密机械加工，真空钎焊焊接成形。对阵中单元进行测试，结果表明天线辐射左旋圆极化波，工作带宽内有源驻波小于2，轴比低于3 dB，效率高于80%。该平板天线具有高效率、低剖面、结构稳定、高功率容量等特点，在新一代雷达、通信系统中具有广阔的应用前景。
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