關(guān)于Ka波段圓極化平板陣列天線設(shè)計(jì)的研究

王暉

【摘 要】在本文中，主要詳細(xì)分析單元天線、列陣天線的具體設(shè)計(jì)方式，最后對(duì)Ka波段圓極化平板陣列天線進(jìn)行仿真，總結(jié)其最終的結(jié)果。基于本文研究，目的是為相關(guān)人員提供借鑒，優(yōu)化Ka波段圓極化平板陣列天線的設(shè)計(jì)方式，提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

【關(guān)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(lèi)號(hào)： TN822文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shè)計(jì)

1.1 單元天線的設(shè)計(jì)

在圓極化平板陣列天線中（如圖1所示），單元天線的設(shè)計(jì)是其中重要的設(shè)計(jì)工作內(nèi)容。具體而言，單元天線的輻射體主要運(yùn)用十字柵格、漸變喇叭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，十字格柵需要設(shè)置在階梯喇叭天線的最上層階梯內(nèi)，而喇叭口需要分為4份。這一設(shè)計(jì)方式相當(dāng)于將同一個(gè)喇叭設(shè)置成為4個(gè)相同的輻射單元。漸變喇叭是對(duì)普通喇叭天線的調(diào)整、變形?；诖?，能夠通過(guò)對(duì)階梯喇叭不同階梯高度、面口的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)該將條件設(shè)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(duì)應(yīng)自由空間波長(zhǎng)。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(duì)于方形天線的輻射口面而言，要想滿(mǎn)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(zhǎng)。

根據(jù)公式d<λ、a>λ/2可知：對(duì)于方形喇叭而言，為了實(shí)現(xiàn)喇叭陣列天線輻射的目的，同時(shí)不出現(xiàn)任何柵瓣，則應(yīng)該保證半個(gè)工作波長(zhǎng)小于輻射單元的口徑，同時(shí)一個(gè)工作波長(zhǎng)還應(yīng)該大于輻射單元之間的間距。一方面，對(duì)于輻射單元天線來(lái)說(shuō)，如果其自身的輻射口徑電場(chǎng)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(yīng)該盡可能減少輻射單元的實(shí)際口徑。另一方面，波導(dǎo)陣列天線的單元饋電使用了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)有著相對(duì)較大的尺寸，所以應(yīng)該增加單元之間的間距，從而為饋電網(wǎng)絡(luò)的布置提供充足的空間。綜合單元的天線效率、饋線網(wǎng)絡(luò)布置，主要包含兩個(gè)因素，即輻射單元間距為0.8的工作波長(zhǎng)、喇叭天線間距為1.6的工作波長(zhǎng)。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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樽笥倚龍A極化信號(hào)?；诖耍梢哉蔑@圓極化平板陣列天線的軸比特性、寬帶等方面的優(yōu)勢(shì)。在本文的設(shè)計(jì)中，提出天線單元通過(guò)隔板圓極化器的方式進(jìn)行直接饋電，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化平板陣列天線的能力。將其應(yīng)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(shí)具較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性、增益性。圖1為單元天線模型圖與相關(guān)參數(shù)變量。

1.2 列陣天線的設(shè)計(jì)

在圓極化平板陣列天線的設(shè)計(jì)中，同樣不能忽視列陣天線的內(nèi)容。具體來(lái)說(shuō)，實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于天線單元之間的間距會(huì)形成限制，所以要想實(shí)現(xiàn)對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)空間的縮小，筆者在設(shè)計(jì)中運(yùn)用E面T形分網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)向不同喇叭單元天線進(jìn)行饋電的目的。在設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該進(jìn)行分層設(shè)置。不僅如此，未來(lái)對(duì)圓極化平板陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型中安裝的隔板圓極化器階梯，應(yīng)該對(duì)四個(gè)不同的單元進(jìn)行反向設(shè)置。采用此種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(wǎng)絡(luò)主要采用E面T形功分器級(jí)聯(lián)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

為了能夠有效減少天線方位面中差生的復(fù)瓣，必須對(duì)該天線中的饋電網(wǎng)絡(luò)功分進(jìn)行不等設(shè)置，實(shí)現(xiàn)12*4子陣中對(duì)饋電電平的錐削分布。采用此種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)以后，圓極化平板陣列天線中會(huì)包含12*16個(gè)單元數(shù)，其分別對(duì)應(yīng)的外形尺寸等于246毫米*39毫米*186毫米。正是因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)方式，可以保證圓極化平板陣列天線穩(wěn)定運(yùn)行，強(qiáng)化其衛(wèi)星通訊的穩(wěn)定性。最后，則能夠?qū)A極化平板陣列天線進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。具體而言，在具體陣列中采用并聯(lián)的方式進(jìn)行饋電。由于兩種不同的結(jié)構(gòu)功分器，是通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式而形成的，并運(yùn)用波導(dǎo)饋電的形式實(shí)現(xiàn)饋電目的。

2 Ka波段圓極化平板陣列天線的仿真結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果

為了對(duì)本文所設(shè)計(jì)的圓極化平板陣列天線效果進(jìn)行分析，筆者運(yùn)用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真分析。具體來(lái)說(shuō)，運(yùn)用HFSS對(duì)圓極化平板陣列天線中的2*2子陣進(jìn)行建模處理、優(yōu)化分析，然后運(yùn)用Uwave對(duì)饋線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，同時(shí)將子陣、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合，最終完成Ka波段圓極化平板陣列天線的設(shè)計(jì)。在仿真分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在30GHz典型頻點(diǎn)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(shuō)明該條件下并不會(huì)產(chǎn)生柵瓣的現(xiàn)象。同時(shí)，仿真結(jié)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(guò)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(shí)二者趨于相同。需要注意的是，在28GHz至31.5GHz之間時(shí)，右旋軸比、左旋軸比之間的差異在1dB之間。由此能夠說(shuō)明，Ka波段圓極化平板陣列天線在運(yùn)行過(guò)程中，能夠形成良好的雙圓極化輻射特性。

除此之外，運(yùn)用HFSS對(duì)Ka波段圓極化平板陣列天線進(jìn)行仿真分析，可以得出天線增益、效率隨頻率變化的對(duì)應(yīng)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(shì)明顯一致，同時(shí)數(shù)值也基本相同。

2.2 結(jié)果分析

結(jié)合對(duì)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(fēng)阻小、重量輕、安裝使用方便的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)內(nèi)部還在內(nèi)部設(shè)置了高頻頭，以此來(lái)使天線與高頻頭實(shí)現(xiàn)一體化的目的。因此，能夠?yàn)槿蘸笳{(diào)節(jié)提供便利。正因如此，Ka波段圓極化平板陣列天線在實(shí)際應(yīng)用中，可以獲得良好的衛(wèi)星通訊效果，特別適合應(yīng)用在直播星電視的信號(hào)接收中，并且可以獲得較強(qiáng)的通訊增益，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。簡(jiǎn)言之，在Ka頻段的條件下運(yùn)行，圓極化平板陣列天線能夠達(dá)到理想的效果，彌補(bǔ)傳統(tǒng)天線模式存在的不足，解決衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量問(wèn)題，滿(mǎn)足更多用戶(hù)的相關(guān)需求。由此發(fā)現(xiàn)，將Ka波段圓極化平板陣列天線應(yīng)用在衛(wèi)星通訊中，能夠獲得良好的效益[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以高機(jī)動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)，并將其作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)低剖面、高增益的陣列天線。通過(guò)對(duì)天線分層設(shè)計(jì)、優(yōu)化與調(diào)整，并運(yùn)用HFSS對(duì)其進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的Ka波段圓極化平板陣列天線，能夠在實(shí)際應(yīng)用中獲得良好的效果，彌補(bǔ)傳統(tǒng)天線衛(wèi)星通訊中存在的不足，提高信號(hào)的穩(wěn)定性。因此，將圓極化平板陣列天線應(yīng)用在Ka波段中，具有較強(qiáng)的必要性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毛譽(yù)杰.Ka波段寬帶圓極化微帶陣列天線研究與設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，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(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)[A].中國(guó)電子學(xué)會(huì)微波分會(huì)：《微波學(xué)報(bào)》編輯部，2015：4.