Ku / Ka雙頻共孔徑微帶陣列天線設計

2021-01-17 電子產品世界
1引言

隨著星載雷達系統的不斷發展，對天線性能的要求也不斷提高，星載天線的雙頻雙極化(DFDP)已是發展的趨勢所在。Pozar指出,未來天基雷達系統將要求其天線子系統具備上述性能的同時且採用共孔徑結構,這使得對DFDP共孔徑天線的需求日趨緊迫。在公開文獻中,已有多種形式的DFDP共孔徑微帶天線研究成果報導。都運用了在工作於低頻段的方形貼片上開孔的方法,將工作於高頻段的方形貼片天線置於低頻段開孔處下方,分別構成了L/C雙頻段和L/X雙頻段的共孔徑DFDP微帶陣列。給出了微帶貼片天線和印刷縫隙天線交錯放置形成的一個C/X雙頻段共孔徑DFDP微帶陣列;給出了交錯放置的微帶貼片天線和印刷偶極子形成的一個S/X雙頻段共孔徑DFDP微帶陣列。和中所採用的交錯放置結構能適合更一般的頻率比。本文提出的共孔徑天線由Ku頻段十字形微帶縫隙和Ka頻段方形微帶貼片組成。Ku頻段十字縫隙置於Ka頻段貼片單元的下方空隙處，縫隙長度可以調節，因此能適用於一定範圍的頻率比。下文將詳細介紹這種天線的設計、結構和仿真結果，以及設計中遇到的問題和解決辦法。

2DFDP天線設計

拋物柱形反射面天線的性能對饋源的位置十分敏感，若雙頻段饋源其中一個偏離拋物柱反射面的焦線，難以做到兩個頻段天線的波束指向一致。將兩個頻段的天線共孔徑放置,便可解決這一問題,因此需要找到合適的結構將兩個頻段天線整合在同一套結構中。本文提出的天線結構如圖1所示，兩個頻段的天線在不同層共孔徑放置，上層的貼片不遮擋下層的十字縫且須相隔一定距離。兩個頻段天線共孔徑放置將會相互影響,為了避免這種影響使方向圖的對稱性變差，設計中Ku頻段十字縫隙和Ka頻段微帶貼片的分布須遵照圖1(b)所示的對稱原則。圖中十字縫隙和微帶貼片均關於X軸對稱分布，左、右十字縫隙恰好對應放置在左、右四個貼片的中央。

(a)側視圖

(b)俯視圖

圖1Ku/KaDFDP共孔徑微帶饋源單元

共孔徑天線在Ku和Ka頻段中心頻率分別為13.6GHz和35.5GHz。天線主波束沿著反射面軸向(圖1(b)中X方向)需要掃描，掃描角範圍為,該方向的每個陣元均獨立饋電以進行幅相加權。根據陣列天線基本理論，在Ku和Ka頻段避免柵瓣的陣元間距分別為: =17mm, =6.53mm,綜合考慮一定工作帶寬和結構嵌套後選取的陣元間距為:=13mm, =6.5mm。因Ka頻段所選取的陣元間距很小，致使雙極化的饋電網絡無法布下，Ka頻段目前只實現單極化。在垂直於反射面焦軸的方向上,Ku波段陣元由兩個十字縫隙組成，Ka波段陣元由四個微帶貼片組成。考慮到高頻段加工誤差對天線性能的影響非常明顯，暫時未採用可實現寬帶的多層結構。

圖1(b)中，Ku頻段縫隙天線沿X和Y指向的縫隙遠區輻射場分別為水平和垂直極化。Ku頻段陣元採用倒置微帶線饋電，饋電網絡位於開槽金屬面下方降低了饋線的寄生輻射。水平極化饋電網絡運用了倒相饋電技術[5],圖中一分二功分網絡總口到兩個分埠的波程相差(為介質波長)。

由於Ku頻段水平極化饋電網絡不對稱，導致在一個陣元的水平上無法實現該極化遠場方向圖的對稱，因此必須在陣元之間找到一種合理的排列[5]，使方向圖對稱和提高交叉極化電平。對各種排列方式的仿真結果表明圖2(a)所示的排列方式方向圖對稱性好且交叉極化電平較低。同樣對Ka頻段各種排列方式進行仿真後發現，圖2(b)所示的排列方式方向圖較好。

(a)Ku頻段

(b)Ka頻段

圖2Ku、Ka頻段陣元之間的排列方式

3DFDP天線陣列的仿真結果

仿真設計時，首先利用HFSS軟體分別建立Ku、Ka頻段的天線模型，將獨立模型的方向圖和駐波性能調到合適的水平。然後再建立兩個頻段共孔徑的仿真模型，分別給Ku和Ka波段天線模型埠加上對應頻段的激勵，並分析獨立結構和共孔徑結構時Ku和Ka頻段天線性能的變化。最後，根據性能變化的情況調整共孔徑結構中各頻段天線的尺寸，使兩個頻段天線的性能都達到最好。由於調整一個頻段的尺寸會使另一個頻段的性能也發生變化，這一過程需反覆進行多次。受到仿真計算機計算能力的限制,計算的模型規模不能過大。目前共孔徑結構的仿真模型由Ku頻段2個陣元和Ka頻段4個陣元組成，下面所給出的仿真結果也是針對這一規模的仿真模型。

圖3(a)、(b)分別給出了Ku波段水平和垂直極化的方向圖。從圖中可以看出方向圖對稱性非常好,這是由於陣元饋電網絡的不對稱性通過陣元之間排列方式的設計得到了抵消。水平、垂直極化的交叉極化電平分別為-34dB、-30dB。Ku頻段的回波損

(a)水平極化

(b)垂直極化

圖3Ku頻段方向圖

耗曲線如圖4(a)所示，水平、垂直極化駐波帶寬分別為5.8%、8.8%(-10dB,下同)。不難發現,水平極化埠（埠標註見圖2(a)）的駐波帶寬比垂直極化的要小，這是因為其饋電網絡中利用波程差來實現反相從而限制了帶寬。埠極化隔離曲線如圖4(b)所示，兩種極化的隔離度都在28dB以上。對圖2(b)所示的Ka波段陣元排列方式仿真所得方向圖見圖5所示。從圖中可以看出，在和面的方向圖交叉極化電平分別小於-27dB、-38dB。Ka頻段的回波損耗曲線如圖6所示，駐波帶寬約為3.1%。

(a)回波損耗

(b)埠隔離

圖4Ku頻段S參數

圖5Ka頻段方向圖

圖6Ka頻段S參數

4結論和展望

本文介紹了在高頻段(Ku\Ka)實現共孔徑雙頻雙極化天線的最新研究進展。設計採用較簡單的結構實現了Ku頻段的雙極化和Ka頻段的單極化。通過仿真分析,Ku波段方向圖主極化性能良好，水平、垂直極化交叉極化電平分別達到-34dB、-30dB。Ka波段方向圖的交叉極化電平也達到了-28dB。這些結果證明了該設計方法的可行性，也為下一步在高頻段實現共孔徑DFDP天線提供了良好的設計基礎。

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