一種寬帶寬波束雙極化矩形缺口背腔天線設(shè)計

汪承慧，朱楊，王放

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.安徽省天線與微波工程實驗室，安徽合肥，230088）

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和目標(biāo)跟蹤、電子對抗裝備的發(fā)展，寬波束天線得到了廣泛的應(yīng)用[1~3]，為了滿足實際應(yīng)用中對寬帶寬波束的要求，學(xué)者們提出了許多的寬波束天線技術(shù)[4]，包括改變介質(zhì)板特性、采用磁電偶極子天線、背部或頂部加載、短路探針加載等。例如，文獻[5]提出了一種金屬橋加載的蝴蝶結(jié)形偶極子寬波束天線，在11.5%的相對帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)H 面波束寬度大于115°，然而其E面波束寬度小于31°；文獻[6]提出一種基于Γ 型饋電結(jié)構(gòu)和金屬柱加載的磁電偶極子天線，在E 面和H 面同時實現(xiàn)寬波束，遺憾的是該天線只實現(xiàn)了單一極化。在同時滿足寬頻帶、水平/垂直雙極化、E 面和H 面寬波束覆蓋等多重要求下設(shè)計輻射性能良好的天線具有很大的挑戰(zhàn)性。

針對以上實際需求和挑戰(zhàn)，本文提出一種基于矩形缺口金屬背腔加載的方式擴寬雙極化天線的帶寬和波束寬度，所設(shè)計天線的3D 結(jié)構(gòu)圖見圖1，與一般的雙極化天線相比，其具有以下特點：

圖1 天線結(jié)構(gòu)形式

（1）結(jié)構(gòu)上，傘狀雙極化振子葉片與水平面呈30°傾斜、金屬背腔側(cè)壁切去矩形結(jié)構(gòu)形成缺口，該結(jié)構(gòu)形式改變了電流分布從而實現(xiàn)天線輻射特性的調(diào)控。

（2）極化實現(xiàn)方式上，不同于常規(guī)的一個端口實現(xiàn)一個極化，本文采用雙斜極化天線形式，通過兩端口等幅同相和等幅反相饋電分別實現(xiàn)水平和垂直極化，該種激勵方式能夠進一步平衡E 面和H 面波束寬度；

（3）實現(xiàn)效果上，所設(shè)計的雙極化天線在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)雙端口的良好阻抗匹配性能和穩(wěn)定的輻射方向圖，同時在E 面和H 面實現(xiàn)雙極化寬波束覆蓋。

1 天線設(shè)計

矩形缺口背腔天線結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，天線由傘狀振子天線和矩形缺口金屬背腔構(gòu)成，其中傘狀振子天線由四片金屬葉片和饋電巴倫組成，金屬葉片與水平面呈30°度傾斜，饋電巴倫由分別連接右側(cè)兩片金屬葉片的兩個同軸饋線和分別連接左側(cè)兩片金屬葉片的兩個接地金屬柱構(gòu)成，同軸饋線和金屬柱通過空氣橋交叉連接，形成雙斜極化振子饋電結(jié)構(gòu)；矩形缺口背腔由圓柱背腔挖去四片矩形形成，矩形缺口中心對齊金屬葉片之間的縫隙。天線結(jié)構(gòu)形式簡單且加工成本低，主要結(jié)構(gòu)關(guān)于xoz 面和yoz 面對稱，背腔、雙極化振子葉片、巴倫的金屬柱和同軸線外導(dǎo)體均由鋁制成，同軸線內(nèi)導(dǎo)體和空氣橋則采用銅材料以便于焊接。天線所有尺寸采用全波仿真軟件進行優(yōu)化，優(yōu)化后的天線主要結(jié)構(gòu)電尺寸見表1，其中λ0為中心頻率的自由空間波長。

表1 天線尺寸

為了更清楚的展示矩形缺口背腔天線的設(shè)計過程，圖2給出了天線結(jié)構(gòu)演進的三個步驟，演進過程中雙極化振子葉片及巴倫的結(jié)構(gòu)尺寸保持一致，通過改變金屬背腔/反射板的形式和結(jié)構(gòu)來進行優(yōu)化。天線1 為圓形反射板天線，除了振子葉片向下傾斜一定角度，其與傳統(tǒng)的雙極化金屬振子天線結(jié)構(gòu)形式類似，為保證天線主波束向上輻射，地板直徑為0.6λ0；天線2 為圓柱背腔天線，在天線1 的基礎(chǔ)上增加了具有一定高度的腔壁，背腔直徑為0.54λ0，即與矩形缺口背腔天線一致，腔壁高度根據(jù)天線性能進行優(yōu)化；天線3為矩形缺口背腔天線，矩形缺口尺寸根據(jù)天線阻抗匹配和輻射性能進行調(diào)整。

圖2 天線結(jié)構(gòu)演進（天線1-3）

三種天線全波仿真的兩端口電壓駐波比如圖3 所示，以端口1 和端口2 駐波比同時小于2 為標(biāo)準，天線1-3 的相對帶寬分別為51%、39%、71%，天線2 相比參考天線1 阻抗帶寬有所減小，但天線2 地板尺寸更?。惶炀€1 和天線3 相對于各自最低工作頻率的電尺寸分別為0.46 和0.35，而天線3 相對帶寬約為參考天線1 帶寬的1.4 倍，說明了加載矩形缺口背腔在小型化的同時能夠有效地增加天線帶寬。

圖3 三種天線的端口電壓駐波比對比

在水平/垂直雙極化應(yīng)用中，有效雙極化波束覆蓋區(qū)域由水平極化和垂直極化方向圖中較小的半功率波瓣寬度決定，本文通過給雙斜極化天線端口等幅同相饋電實現(xiàn)水平極化等幅反相饋電實現(xiàn)垂直極化。圖4 給出了三種天線分別工作在水平極化和垂直極化模式下兩個主面的半功率波瓣寬度隨頻率的變化曲線，可以看出，天線1 在水平/垂直極化工作模式下，兩個主面的半功率波瓣寬度差別非常大（相差25°~48°），且差距隨頻率上升而增大。同時對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，天線在水平極化模式下的xoz 面/yoz面半功率波瓣寬度與垂直極化模式下的yoz 面/xoz 面半功率波瓣寬度相當(dāng)，這就意味著同一主面上水平極化和垂直極化的半功率波瓣寬度差別大，有效的雙極化波束覆蓋范圍受到限制（小于80°）；同樣的，天線2 也存在特定極化模式下兩個主面半功率波瓣寬度差別大，但是天線2 相比天線1 在半功率波瓣寬度較寬一面上的波瓣寬度隨頻率的變化更加緩慢，因此，圓柱腔壁的加載有利于天線在寬帶內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的輻射方向圖；三種天線中，天線3 在水平/垂直極化工作模式下兩個主面的半功率波瓣寬度最接近（相差約±10°），且在寬頻帶內(nèi)具有寬波束（半功率波瓣寬度約100°）和隨頻率變化的波瓣寬度的穩(wěn)定性（不同頻率的波瓣寬度相差小于±9.3°）。

圖4 三種天線的半功率波束寬度對比

2 參數(shù)分析

為更好地理解雙極化矩形缺口背腔天線的設(shè)計原則，對天線一些關(guān)鍵尺寸進行參數(shù)分析，關(guān)鍵尺寸包含矩形缺口背腔底面直徑D、矩形缺口長度Lc、矩形缺口寬度Wc、傘狀雙極化振子葉片長度La、葉片寬度Wa以及葉片與水平面的夾角，所影響的天線性能包括天線端口駐波比（兩端口駐波比變化規(guī)律一致，僅展示端口1）、天線增益或輻射方向圖（兩極化模式下輻射特性變化規(guī)律一致，僅展示水平極化模式）。在針對單一尺寸進行參數(shù)分析時，其他參數(shù)按表1給定的尺寸進行設(shè)置。

■2.1 背腔直徑D

矩形缺口背腔底面直徑D 對天線端口駐波比、增益的影響見圖5(a)所示，可以看出背腔底面直徑D=0.48λ0時駐波比小于2 的阻抗帶寬最窄，頻帶內(nèi)的增益最小，D=0.54λ0和D=0.60λ0時的阻抗帶寬相當(dāng)，但是D=0.60λ0時的帶內(nèi)駐波比更小，且頻帶內(nèi)的增益值更高，表明背腔底面直徑越大越有利于天線端口阻抗匹配，同時天線增益也越高；矩形缺口背腔底面直徑D 對兩個主面的半功率波瓣寬度的影響見圖5(b)所 示，可以看出D=0.48λ0、D=0.54λ0、D=0.60λ0時兩主面半功率波瓣寬度總體上隨頻率升高分別呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定和下降趨勢，且三種情況下的平均波瓣寬度依次減小。因此背腔直徑D在實現(xiàn)天線的寬帶和寬波束兩個目標(biāo)上矛盾，綜合考慮阻抗帶寬、帶內(nèi)波瓣寬度穩(wěn)定性、增益和波瓣寬度的平衡，選擇背腔直徑D=0.54λ0。

圖5 背腔直徑D 對天線性能的影響分析

■2.2 矩形缺口長度Lc

分析背腔上矩形缺口長度Lc 對天線端口駐波比、增益及波瓣寬度的影響，矩形缺口長度Lc分別取0.24λ0、0.27λ0、0.30λ0，長度Lc 增長，天線端口駐波比在最低頻略有惡化，但是頻帶內(nèi)的增益提高了約0.2dB，Lc=0.24λ0時頻帶內(nèi)波瓣寬度穩(wěn)定性最差，波瓣寬度隨頻率上升而變寬，Lc=0.27λ0和0.30λ0時波瓣寬度基本相當(dāng)?？梢娋匦稳笨陂L度Lc 對天線性能的影響并無明顯規(guī)律，需要結(jié)合其他參數(shù)根據(jù)實際需要進行全波仿真優(yōu)化。

■2.3 矩形缺口寬度Wc

矩形缺口寬度Wc 對天線端口駐波比、增益的影響見圖6(a)所示，可以看出矩形缺口寬度Wc=0.135λ0時駐波比小于2 的阻抗帶寬最寬，但是此時頻帶內(nèi)的增益最小，且隨著頻率的上升，天線增益呈明顯下降趨勢。

圖6 矩形缺口寬度Wc 對天線性能的影響分析

隨著Wc 寬度的增加，阻抗帶寬變窄，天線增益尤其是高頻天線增益顯著增加，在矩形缺口寬度Wc=0.075λ0時天線增益隨頻率變化不再呈下降趨勢，此時阻抗帶寬僅為矩形缺口寬度最寬時的一半。因此矩形缺口寬度Wc在實現(xiàn)天線的寬帶和帶內(nèi)增益穩(wěn)定性兩個目標(biāo)上矛盾。同時從圖6(b)可以看出，隨著矩形缺口寬度的增加，天線方向圖的半功率波瓣寬度也隨之增加，在Wc增加至0.135λ0時，帶內(nèi)的半功率波瓣寬度穩(wěn)定性較差。綜合考慮阻抗帶寬、帶內(nèi)增益穩(wěn)定性和波瓣寬度，選擇背矩形缺口寬度Wc=0.105λ0。

■2.4 葉片長度La

分析傘狀振子葉片長度La 對天線端口駐波比、增益及波瓣寬度的影響，矩形缺口長度La分別取0.211λ0、0.241λ0、0.271λ0，隨之長度La 增長，天線端口阻抗帶寬往低頻段擴展，有利于實現(xiàn)天線的小型化，但是頻帶內(nèi)的駐波比有所惡化、增益下降了約0.5dB，La=0.241λ0時頻帶內(nèi)波瓣寬度穩(wěn)定性最好，兩個主面內(nèi)的波瓣寬度在中心頻點處相等，La=0.211λ0和0.271λ0時波瓣寬度分別在低頻段和高頻段相差較大。同時考慮帶寬和帶內(nèi)駐波比、增益及波瓣寬度的穩(wěn)定性，傘狀振子葉片長度La取0.241λ0。

■2.5 葉片寬度Wa

分析傘狀振子葉片寬度Wa對天線端口駐波比、增益及波瓣寬度的影響，矩形缺口寬度Wa分別取0.219λ0、0.227λ0、0.234λ0，隨之寬度Wa增長，天線端口阻抗帶寬往高頻段擴展，且頻帶內(nèi)天線增益有略微上升(<0.2dB)，三種葉片寬度下頻帶內(nèi)波瓣寬度穩(wěn)定性相當(dāng)，兩個主面內(nèi)的波瓣寬度在中心頻點處相等，Wa=0.219λ0時帶內(nèi)波瓣寬度略有增加?？梢娙~片寬度Wa對天線性能影響較小，適用于確定其他參數(shù)后的天線性能微調(diào)。

■2.6 葉片與水平面夾角

葉片與水平面夾角θ對天線端口駐波比、增益的影響見圖7(a)所示，可以看出葉片與水平面無夾角時(θ=0o)阻抗帶寬小于葉片與水平面有夾角(θ=30o)的帶寬，且有夾角時的帶內(nèi)增益更加穩(wěn)定；葉片與水平面夾角θ對天線帶內(nèi)波瓣寬度的影響如圖7(b)所示，葉片與水平面無夾角時xoz 面的波瓣寬度遠大于yoz 面波瓣寬度，不利于實現(xiàn)寬角域范圍內(nèi)的雙極化波束覆蓋，葉片與水平面有夾角時的兩主面波瓣寬度相差較小，更適用于寬帶寬波束雙極化應(yīng)用。

圖7 葉片與水平面夾角對天線性能的影響分析

3 極化性能

本文采用雙斜極化天線形式，通過兩端口等幅同相和等幅反相饋電分別實現(xiàn)水平和垂直極化，圖8 給出了常規(guī)的單端口激勵實現(xiàn)水平極化和雙端口等幅同相激勵實現(xiàn)水平極化的對應(yīng)主面上的波瓣寬度的對比，可以看出雙端口組合激勵的方式能夠有效地平衡E 面和H 面波束寬度。

圖8 單端口激勵與雙端口激勵的波瓣寬度

為進一步說明矩形缺口背腔天線的雙極化寬波束特性，圖9 給出了該天線在高/中/低三個頻點處的水平和垂直極化模式下的方向圖，可以看出兩種極化模式下主極化方向圖主瓣具有一定相似性，有利于寬角域的雙極化覆蓋，具體的，三個典型頻點處的雙極化增益在120°波束覆蓋范圍內(nèi)增益都大于1dB。

圖9 矩形缺口背腔天線xoz 面輻射方向圖

4 總結(jié)

本文提出了一種矩形缺口背腔天線設(shè)計，相比未加載矩形缺口背腔的參考天線，阻抗帶寬拓寬到1.4 倍，主面上雙極化有效波束覆蓋角度從小于80° 拓展到約100°，該天線及其設(shè)計思路可應(yīng)用于雙極化寬波束天線應(yīng)用中。