波导馈电微带共形天线阵设计

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                1  引言

                        共形阵列天线是当前天线技术中最重要的发展方向之一。微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻、易于与载体共形等特点，近年来被广泛用于导弹、飞机、卫星、火箭等飞行器上。但是，由于馈电网络的欧姆损耗、介质损耗以及寄生辐射，微带阵列天线效率较低，尤其是频率较高或馈电网络较长时。为了解决这些问题，引入波导混合馈电以降低损耗。采用波导纵缝耦合馈电设计了40GHz平面阵列天线，由于耦合缝交替排列导致E面波瓣不对称；采用倾斜耦合双缝馈电设计了30*30平面阵列天线，由于倾斜耦合双缝引入不希望的辐射，导致天线增益下降。
                         
                        本文利用波导微带混合馈电方式设计了Ku波段微带共形阵列天线，串馈微带线阵与圆柱面共形，波导网络通过对称双缝耦合对微带线阵激励，对称耦合双缝的采用有效抑制了耦合缝的辐射，提高天线极化纯度。实验结果表明天线性能优良。
                         
                        2  波导馈电微带共形天线

                        波导馈电微带共形天线如图1所示。该阵列天线包含12个1*12微带线阵，微带线阵采用矩形贴片辐射单元，微带线串馈激励，基本串馈功分单元如图2所示。
                         
       

               

       

                图1  微带共形天线阵示意图

       

               

       

                图2  串馈功分器

                         
                        设1端口是输入端口，2、3端口功分比为 ，则有：
       

               

       

               

                        依据微带线阵的幅度加权系数，计算出各功分器的功分比，从而确定微带串馈功分网络。
                         
                        由于微带线阵与柱面共形，柱面曲率使各辐射单元之间存在空间程差，通过调整各辐射单元馈电微带线的长度，来补偿天线单元空间路程差引入的相位差。
                 
                        为了降低馈电损耗，提高天线效率，轴向采用波导网络对微带线阵进行耦合馈电。波导馈电网络由一个T接头和一系列位于波导宽边的纵向耦合缝组成，如图3所示。波导网络终端短路，耦合缝之间距离0.5 ，距离短路面0.25 ，形成一个驻波阵。耦合缝采用对称双缝结构，保证天线的结构对称性，有效抑制耦合缝的辐射，提高天线的极化纯度。
                         
       

               

       

                图3  微带共形天线阵透视图

       

               

       

                图4  共形微带阵列天线

                         
                        3  实验结果

                        加工了一个12*12单元微带共形阵列天线，分别进行了天线端口驻波和波瓣图及增益测试，如图4所示。测试结果表明反射系数小于-10dB的阻抗带宽有700MHz（见图5）。图6是15.3GHz的H面波瓣图，即圆柱共形面波瓣图，图7是圆柱轴向，即波导馈电面波瓣图，其交叉极化电平小于-25dB，天线增益为27.9dB，辐射效率为51%。
                         
       

               

       

                图5  天线驻波曲线

       

               

       

                图6  共形天线H面波瓣图

       

               

       

                图7  共形天线E面波瓣图

                         
                        4  结论

                        本文介绍了Ku波段12*12波导馈电微带共形阵列天线的设计，共形面为微带线串联馈电的微带线阵，轴向采用波导网络对微带线阵耦合馈电。提出的对称双缝耦合馈电有效抑制耦合缝的辐射，提高天线效率和极化纯度。测试结果表明其阻抗带宽有700MHz，交叉极化电平低于-25dB，天线效率达到51%。