Ku / Ka双频共孔径微带阵列天线设计

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                1  引言

                         随着星载雷达系统的不断发展，对天线性能的要求也不断提高，星载天线的双频双极化(DFDP)已是发展的趋势所在。Pozar指出, 未来天基雷达系统将要求其天线子系统具备上述性能的同时且采用共孔径结构,这使得对DFDP共孔径天线的需求日趋紧迫。在公开文献中,已有多种形式的DFDP共孔径微带天线研究成果报道。都运用了在工作于低频段的方形贴片上开孔的方法,将工作于高频段的方形贴片天线置于低频段开孔处下方,分别构成了L/C 双频段和L/X 双频段的共孔径DFDP 微带阵列。给出了微带贴片天线和印刷缝隙天线交错放置形成的一个C/ X双频段共孔径DFDP微带阵列;给出了交错放置的微带贴片天线和印刷偶极子形成的一个S/ X双频段共孔径DFDP微带阵列。和中所采用的交错放置结构能适合更一般的频率比。本文提出的共孔径天线由Ku频段十字形微带缝隙和Ka频段方形微带贴片组成。Ku频段十字缝隙置于Ka频段贴片单元的下方空隙处，缝隙长度可以调节，因此能适用于一定范围的频率比。下文将详细介绍这种天线的设计、结构和仿真结果，以及设计中遇到的问题和解决办法。
                          
                        2  DFDP天线设计

                         抛物柱形反射面天线的性能对馈源的位置十分敏感，若双频段馈源其中一个偏离抛物柱反射面的焦线，难以做到两个频段天线的波束指向一致。将两个频段的天线共孔径放置,便可解决这一问题,因此需要找到合适的结构将两个频段天线整合在同一套结构中。本文提出的天线结构如图1所示，两个频段的天线在不同层共孔径放置，上层的贴片不遮挡下层的十字缝且须相隔一定距离。两个频段天线共孔径放置将会相互影响,为了避免这种影响使方向图的对称性变差，设计中Ku频段十字缝隙和Ka频段微带贴片的分布须遵照图1(b)所示的对称原则。图中十字缝隙和微带贴片均关于X轴对称分布，左、右十字缝隙恰好对应放置在左、右四个贴片的中央。
                          
       

               

       

                (a) 侧视图

                          
       

               

       

                (b) 俯视图

       

                图1  Ku/Ka DFDP共孔径微带馈源单元

       

                 

                         共孔径天线在Ku和Ka频段中心频率分别为13.6GHz和35.5 GHz。天线主波束沿着反射面轴向 (图1(b)中X方向)需要扫描，扫描角范围为 ,该方向的每个阵元均独立馈电以进行幅相加权。根据阵列天线基本理论，在Ku和Ka频段避免栅瓣的阵元间距分别为: =17mm, =6.53mm, 综合考虑一定工作带宽和结构嵌套后选取的阵元间距为:=13mm, =6.5mm。因Ka频段所选取的阵元间距很小，致使双极化的馈电网络无法布下，Ka频段目前只实现单极化。在垂直于反射面焦轴的方向上,Ku波段阵元由两个十字缝隙组成，Ka波段阵元由四个微带贴片组成。考虑到高频段加工误差对天线性能的影响非常明显，暂时未采用可实现宽带的多层结构。
                          
                         图1(b)中，Ku频段缝隙天线沿X和Y指向的缝隙远区辐射场分别为水平和垂直极化。Ku频段阵元采用倒置微带线馈电，馈电网络位于开槽金属面下方降低了馈线的寄生辐射。水平极化馈电网络运用了倒相馈电技术[5],图中一分二功分网络总口到两个分端口的波程相差 ( 为介质波长)。
       

                 

                由于Ku频段水平极化馈电网络不对称，导致在一个阵元的水平上无法实现该极化远场方向图的对称，因此必须在阵元之间找到一种合理的排列[5]，使方向图对称和提高交叉极化电平。对各种排列方式的仿真结果表明图2(a)所示的排列方式方向图对称性好且交叉极化电平较低。同样对Ka频段各种排列方式进行仿真后发现，图2(b)所示的排列方式方向图较好。
                          
       

               

       

                (a) Ku频段

       

               

       

                (b) Ka频段

       

                图2  Ku、Ka频段阵元之间的排列方式

       

                 

                        3  DFDP天线阵列的仿真结果

                         仿真设计时，首先利用HFSS软件分别建立Ku、Ka频段的天线模型，将独立模型的方向图和驻波性能调到合适的水平。然后再建立两个频段共孔径的仿真模型，分别给Ku和Ka波段天线模型端口加上对应频段的激励，并分析独立结构和共孔径结构时Ku和Ka频段天线性能的变化。最后，根据性能变化的情况调整共孔径结构中各频段天线的尺寸，使两个频段天线的性能都达到最好。由于调整一个频段的尺寸会使另一个频段的性能也发生变化，这一过程需反复进行多次。受到仿真计算机计算能力的限制,计算的模型规模不能过大。目前共孔径结构的仿真模型由Ku频段2个阵元和Ka频段4个阵元组成，下面所给出的仿真结果也是针对这一规模的仿真模型。
                          
                         图3(a)、(b)分别给出了Ku波段水平和垂直极化的方向图。从图中可以看出方向图对称性非常好,这是由于阵元馈电网络的不对称性通过阵元之间排列方式的设计得到了抵消。水平、垂直极化的交叉极化电平分别为-34dB、-30dB。Ku频段的回波损
                          
       

               

       

                (a) 水平极化

       

               

       

                 (b) 垂直极化

       

                图3  Ku频段方向图

                 
                         耗曲线如图 4(a)所示，水平、垂直极化驻波带宽分别为5.8%、8.8%( <-10dB,下同)。不难发现,水平极化端口（端口标注见图2(a)）的驻波带宽比垂直极化的要小，这是因为其馈电网络中利用波程差来实现反相从而限制了带宽。端口极化隔离曲线如图4(b)所示，两种极化的隔离度都在28dB以上。对图2(b)所示的Ka波段阵元排列方式仿真所得方向图见图5所示。从图中可以看出，在 和 面的方向图交叉极化电平分别小于-27dB、-38dB。Ka频段的回波损耗曲线如图6所示，驻波带宽约为3.1%。
       

               

       

                (a) 回波损耗

       

               

       

                (b) 端口隔离

       

                图4  Ku频段S参数

       

               

       

                图5  Ka频段方向图

       

               

       

                图6  Ka频段S参数

                          
                        4  结论和展望

                         本文介绍了在高频段(Ku\Ka)实现共孔径双频双极化天线的最新研究进展。设计采用较简单的结构实现了Ku频段的双极化和Ka频段的单极化。通过仿真分析,Ku波段方向图主极化性能良好，水平、垂直极化交叉极化电平分别达到-34dB、-30dB。Ka波段方向图的交叉极化电平也达到了-28dB。这些结果证明了该设计方法的可行性，也为下一步在高频段实现共孔径DFDP天线提供了良好的设计基础。