腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)

陳鑫華，馬巖冰，馬志祥，邵曉龍，李元?jiǎng)?/p>

(1.電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)

陳鑫華1，馬巖冰2，馬志祥2，邵曉龍2，李元?jiǎng)?

(1.電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

圓極化天線由于其自身具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中日益受到廣泛關(guān)注。設(shè)計(jì)了一種通過(guò)在傳統(tǒng)波導(dǎo)縫隙天線上加載旋轉(zhuǎn)矩形腔體實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的天線形式，分析了腔體輻射圓極化波的機(jī)理以及腔體對(duì)天線阻抗帶寬的影響。該天線具有阻抗特性和圓極化特性獨(dú)立可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。加工實(shí)現(xiàn)了一種工作于X頻段、具有1×10個(gè)單元的天線結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，在中心頻率處右旋圓極化增益約為16.5 dB，主輻射方向上軸比優(yōu)于1 dB，阻抗帶寬(VSWR<2)約為64 MHz。測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)取得了較好的一致性。

波導(dǎo)縫隙天線；腔體加載；圓極化；窄帶

0 引言

波導(dǎo)縫隙天線作為一種有效的輻射形式被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)[1]、遙感和通信[2]等眾多領(lǐng)域。雖然近年來(lái)微帶天線憑借其價(jià)格低廉、易于批量加工等優(yōu)點(diǎn)大行其道[3]，然而隨著通信頻段向更高頻段發(fā)展，微帶天線由于損耗高、功率容量低、熱穩(wěn)定度不高以及機(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，逐漸被波導(dǎo)縫隙天線所取代[4]。圓極化天線在通信領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：① 收/發(fā)天線之間不存在由于指向不穩(wěn)定引起的極化損失[5]；② 用于在接收機(jī)端減小由于多徑效應(yīng)引起的信號(hào)衰落[6]。目前，以波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓極化的方式主要有在波導(dǎo)壁開(kāi)“八”字縫[7]或“十”字縫[8]、寄生傾斜振子[9]和加載圓極化腔[10]等3種，其中第1種實(shí)現(xiàn)方式中各縫之間間隔一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)，天線口徑效率較低且副瓣較大；加載寄生振子的方式在應(yīng)用于較高頻段時(shí)工程實(shí)現(xiàn)的難度較大；第3種方式以在波導(dǎo)縫隙天線上方加載旋轉(zhuǎn)腔體的方式實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，具有易于組成陣列結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)幅度控制進(jìn)行波束賦形的優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種工作于X波段具有1×10個(gè)單元的圓極化波導(dǎo)縫隙天線，其輻射縫采用波導(dǎo)寬邊開(kāi)縱縫的結(jié)構(gòu)，饋電方式采用饋電波導(dǎo)中心開(kāi)傾斜縫的形式，圓極化性能由具有一定旋轉(zhuǎn)角度的矩形腔體實(shí)現(xiàn)。該天線駐波、軸比相對(duì)獨(dú)立可調(diào)，具有極化性能好、易于一體化加工等優(yōu)點(diǎn)。

1 天線設(shè)計(jì)方案

1.1 波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)

波導(dǎo)縫隙天線常采用寬邊開(kāi)縱向偏置縫和窄邊開(kāi)傾斜縫這2種具有不同極化方式的形式。波導(dǎo)寬邊上的縱向縫使波導(dǎo)內(nèi)表面處的橫向電流向縫隙兩端分流，引起縱向電流突變，因此縱縫等效于傳輸線上的并聯(lián)導(dǎo)納[11]。波導(dǎo)縫隙天線管壁電流分布示意圖如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)縫隙天線管壁電流分布

當(dāng)縱縫工作在諧振狀態(tài)，等效導(dǎo)納中的電納為零，歸一化電導(dǎo)值可以表示為[12]：

(1)

式中，g和x分別為縫隙的等效歸一化電導(dǎo)和其距波導(dǎo)寬邊中線的距離；a和b分別為波導(dǎo)的寬邊和窄邊尺寸；λ和λg分別為工作波長(zhǎng)和波導(dǎo)波長(zhǎng)。對(duì)于由多根縫隙組成陣列結(jié)構(gòu)，當(dāng)從波導(dǎo)終端饋電時(shí)，只有滿足式(2)才能達(dá)到匹配的目的：

(2)

波導(dǎo)寬邊處的管壁電流分布可以表示為[13]：

(3)

(4)

圖2 駐波帶寬隨縫隙數(shù)N的變化趨勢(shì)

1.2 圓極化腔體設(shè)計(jì)

腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線結(jié)構(gòu)

(5)

由式(5)可知，2種模式的電磁波傳播一定的距離H后，在極化腔的端面處能夠滿足相差Δφ=90°的條件。從圖4可以看出，在一定的長(zhǎng)寬比L/W下，2種模式的相差Δφ與H基本上呈線性關(guān)系。

圖4 高度H對(duì)2種模式相差的影響

圖5 極化腔旋向?qū)?種模式振幅比的影響

在工程上總是希望天線能具有較低的剖面，也就是極化腔的高度H應(yīng)盡可能的小，由式(5)可知，這就需要長(zhǎng)寬比盡可能大，但同時(shí)考慮到平面組陣的需求，旋轉(zhuǎn)后極化腔的長(zhǎng)邊L應(yīng)不超出輻射波導(dǎo)的寬邊為好。

2 天線加工與測(cè)試

圖6 腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線實(shí)物

受圓極化腔體的尺寸和旋向限制，輻射縫隙偏離天線中線的距離較小，為1.5 mm，由分析可知，較小的偏置量將導(dǎo)致較窄的阻抗帶寬。天線實(shí)測(cè)駐波如圖7所示，由于加工誤差的原因，中心頻率偏離設(shè)計(jì)值30 MHz，VSWR<2的帶寬約為64 MHz。

圖7 天線阻抗特性曲線

天線在微波暗室中完成遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的測(cè)量，方位面φ=0°和φ=90°上的天線右旋圓極化增益圖如圖8所示，天線實(shí)測(cè)最大增益為16.5 dB。天線軸比的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖如圖9所示，在主輻射方向上(θ=0°)軸比優(yōu)于1 dB，在φ=0°面上軸比小于3 dB的角度范圍約為±60°，在φ=90°面上軸比小于3 dB的角度范圍約為±20°。 由于測(cè)試場(chǎng)地的局限和數(shù)據(jù)后處理的原因，從圖8和圖9中可以看出，與仿真結(jié)果相比，測(cè)試數(shù)據(jù)在偏離主輻射方向時(shí)出現(xiàn)了較多的波紋抖動(dòng)，但整體變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果相吻合，測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果取得了較好的一致性，這也驗(yàn)證了該型天線整體的設(shè)計(jì)合理性。

圖8 右旋圓極化增益仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖9 軸比仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種工作于X頻段、通過(guò)加載腔體實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的波導(dǎo)縫隙天線，分析了波導(dǎo)縫隙天線阻抗帶寬與縫隙偏置距離的關(guān)系以及極化腔實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的原理。該形式天線的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)思路明確、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且阻抗特性和圓極化特性相對(duì)獨(dú)立，二者的相互影響較小，降低了設(shè)計(jì)調(diào)諧的工作量。但存在的缺點(diǎn)是由于極化腔口徑的限制，天線的阻抗帶寬較窄，這使其在工程上的應(yīng)用范圍受到限制，所以后續(xù)工作中對(duì)該天線形式的改進(jìn)重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)極化腔的結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，使其在圓極化性能不受太大影響的情況下能給縫隙留出足夠的調(diào)諧空間。

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陳鑫華 男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：天線與射頻電路。

馬巖冰 男，(1989—)，工程師。主要研究方向：天線與射頻電路。

Design of Circularly Polarized Waveguide Slot Antenna Loaded with Rectangular Cavities

CHEN Xin-hua1,MA Yan-bing2,MA Zhi-xiang2,SHAO Xiao-long2,LI Yuan-xun1

(1.SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengduSichuan610054,China;2.ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

Circularly polarized antennas have attracted extensive attention in modern communication systems due to their inherent advantages.In this paper,a circularly polarized antenna constructed by a traditional waveguide slot antenna loaded with rectangular cavities is presented.The realization mechanism of the circularly polarized wave radiated by the cavity and the effect of cavity dimensions on the impedance bandwidth of the antenna are also analyzed.The impedance characteristics and the circular polarization characteristics of this type of antenna can be tuned independently.The designed antenna operates in X-band and consists of 1×10 unit cells.The measured results show that the right hand circular polarized gain is about 16.5 dB at the center frequency.The axial ratio is less than 1 dB in the direction of main radiation and the impedance bandwidth (VSWR<2) is 64 MHz.The measured data is quite consistent with the simulation results.

waveguide slot antenna;loaded with cavities;circular polarization;narrow band

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.14

陳鑫華,馬巖冰,馬志祥,等.腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2016,46(11):55-58.

2016-07-12

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA034102)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61371053，61271038，51472042)。

TN015

A

1003-3106(2016)11-0055-04