如何實(shí)現(xiàn)腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)？

0 引言

波導(dǎo)縫隙天線作為一種有效的輻射形式被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)[1]、遙感和通信[2]等眾多領(lǐng)域。雖然近年來微帶天線憑借其價(jià)格低廉、易于批量加工等優(yōu)點(diǎn)大行其道[3]，然而隨著通信頻段向更高頻段發(fā)展，微帶天線由于損耗高、功率容量低、熱穩(wěn)定度不高以及機(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，逐漸被波導(dǎo)縫隙天線所取代[4]。圓極化天線在通信領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：① 收/發(fā)天線之間不存在由于指向不穩(wěn)定引起的極化損失[5]；② 用于在接收機(jī)端減小由于多徑效應(yīng)引起的信號(hào)衰落[6]。目前，以波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓極化的方式主要有在波導(dǎo)壁開“八”字縫[7]或“十”字縫[8]、寄生傾斜振子[9]和加載圓極化腔[10]等3種，其中第1種實(shí)現(xiàn)方式中各縫之間間隔一個(gè)波導(dǎo)波長，天線口徑效率較低且副瓣較大；加載寄生振子的方式在應(yīng)用于較高頻段時(shí)工程實(shí)現(xiàn)的難度較大；第3種方式以在波導(dǎo)縫隙天線上方加載旋轉(zhuǎn)腔體的方式實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，具有易于組成陣列結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)幅度控制進(jìn)行波束賦形的優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種工作于X波段具有1×10個(gè)單元的圓極化波導(dǎo)縫隙天線，其輻射縫采用波導(dǎo)寬邊開縱縫的結(jié)構(gòu)，饋電方式采用饋電波導(dǎo)中心開傾斜縫的形式，圓極化性能由具有一定旋轉(zhuǎn)角度的矩形腔體實(shí)現(xiàn)。該天線駐波、軸比相對(duì)獨(dú)立可調(diào)，具有極化性能好、易于一體化加工等優(yōu)點(diǎn)。

1 天線設(shè)計(jì)方案

1.1 波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)

波導(dǎo)縫隙天線常采用寬邊開縱向偏置縫和窄邊開傾斜縫這2種具有不同極化方式的形式。波導(dǎo)寬邊上的縱向縫使波導(dǎo)內(nèi)表面處的橫向電流向縫隙兩端分流，引起縱向電流突變，因此縱縫等效于傳輸線上的并聯(lián)導(dǎo)納[11]。波導(dǎo)縫隙天線管壁電流分布示意圖如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)縫隙天線管壁電流分布

當(dāng)縱縫工作在諧振狀態(tài)，等效導(dǎo)納中的電納為零，歸一化電導(dǎo)值可以表示為[12]：

。

(1)

式中，g和x分別為縫隙的等效歸一化電導(dǎo)和其距波導(dǎo)寬邊中線的距離；a和b分別為波導(dǎo)的寬邊和窄邊尺寸；λ和λg分別為工作波長和波導(dǎo)波長。對(duì)于由多根縫隙組成陣列結(jié)構(gòu)，當(dāng)從波導(dǎo)終端饋電時(shí)，只有滿足式(2)才能達(dá)到匹配的目的：

。

(2)

波導(dǎo)寬邊處的管壁電流分布可以表示為[13]：

。

(3)

由圖1可以看出，縫隙的出現(xiàn)切割了向表面電流，在縫中產(chǎn)生了能夠輻射的位移電流，而縫隙軸向與向表面電流方向相同，沒有影響向表面電流的傳播，所以向表面電流對(duì)縫隙的輻射沒有貢獻(xiàn)。由式(3)可知，向表面電流呈余弦分布，在偏離波導(dǎo)寬邊中線越遠(yuǎn)的位置處，表面電流的強(qiáng)度越大。因?yàn)榭v縫可以等效為傳輸線上的并聯(lián)導(dǎo)納，所以各縫處的等效電壓相同，由g=I/V可知，偏離波導(dǎo)中線越遠(yuǎn)的縫隙其等效電導(dǎo)也就越大。當(dāng)一根輻射波導(dǎo)由多個(gè)縫隙組成時(shí)，在滿足式(2)的匹配條件下，縫隙的數(shù)目N越多，每個(gè)縫隙的等效電導(dǎo)g就越小，其在波導(dǎo)上的位置x就越靠近中線。對(duì)式(3)求導(dǎo)可得：

。

(4)

可知縫隙偏離中線的距離x越大，向表面電流Jsx的變化率就越小，這表明相同的Δx變化所引起的ΔJsx較小，也即是對(duì)縫的等效導(dǎo)納影響較小。所以，在滿足匹配條件下，縫隙偏離中線的距離越大，由頻率變化引起的導(dǎo)納變化就越小，相應(yīng)的縫隙對(duì)于頻率變化的阻抗帶寬也就越大。圖2中展示了這種變化趨勢(shì)：隨著縫隙數(shù)目N的增加，為了滿足匹配條件，單個(gè)縫隙的導(dǎo)納值就越小，其距中線的距離也就越小，縫隙天線的阻抗帶寬也越小。

圖2 駐波帶寬隨縫隙數(shù)N的變化趨勢(shì)

1.2 圓極化腔體設(shè)計(jì)

腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線結(jié)構(gòu)

圖3中天線由3層結(jié)構(gòu)組成：寬邊縱縫結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)縫隙天線、加載其上的矩形圓極化腔和給縫隙天線饋電的中線開傾斜縫的耦合波導(dǎo)。當(dāng)極化腔旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，縱縫輻射的向極化波在矩形極化腔體中可以分解為電場相互垂直的2種模式：TE10模和TE01模，由于2種模式的截止波長不同，它們的相位因子βTE10和βTE01也不同。

Δφ。

(5)

由式(5)可知，2種模式的電磁波傳播一定的距離H后，在極化腔的端面處能夠滿足相差Δφ=90°的條件。從圖4可以看出，在一定的長寬比L/W下，2種模式的相差Δφ與H基本上呈線性關(guān)系。

圖4 高度H對(duì)2種模式相差的影響

在理想情況下，縱縫只輻射向線極化波，圓極化腔旋轉(zhuǎn)45°就可以在腔體的輻射端口處得到2個(gè)幅度相等的正交極化波，但事實(shí)上，縱縫輻射的還有交叉極化分量，而且極化腔端口處存在出射波和反射波相互疊加的問題，所以從圖5可以看出，2個(gè)正交極化波并不是在45°旋向時(shí)達(dá)成幅度一致的。

圖5 極化腔旋向?qū)?種模式振幅比的影響

在工程上總是希望天線能具有較低的剖面，也就是極化腔的高度H應(yīng)盡可能的小，由式(5)可知，這就需要長寬比盡可能大，但同時(shí)考慮到平面組陣的需求，旋轉(zhuǎn)后極化腔的長邊L應(yīng)不超出輻射波導(dǎo)的寬邊為好。

2 天線加工與測(cè)試

在電磁場仿真軟件HFSS中對(duì)天線模型的各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了理想的仿真結(jié)果。實(shí)物加工如圖6所示，天線由1×10個(gè)單元組成，天線參數(shù)如下：設(shè)計(jì)中心頻率為8.5 GHz，天線總長約230 mm、寬46 mm、高50 mm，波導(dǎo)縫隙長16.75 mm、寬1.5 mm，圓極化腔長23.5 mm、寬18 mm，以為軸向右偏轉(zhuǎn)15°。天線整體結(jié)構(gòu)采用鋁合金材質(zhì)。

圖6 腔體加載式圓極化波導(dǎo)縫隙天線實(shí)物

受圓極化腔體的尺寸和旋向限制，輻射縫隙偏離天線中線的距離較小，為1.5 mm，由分析可知，較小的偏置量將導(dǎo)致較窄的阻抗帶寬。天線實(shí)測(cè)駐波如圖7所示，由于加工誤差的原因，中心頻率偏離設(shè)計(jì)值30 MHz，VSWR<2的帶寬約為64 MHz。

圖7 天線阻抗特性曲線

天線在微波暗室中完成遠(yuǎn)場方向圖的測(cè)量，方位面φ=0°和φ=90°上的天線右旋圓極化增益圖如圖8所示，天線實(shí)測(cè)最大增益為16.5 dB。天線軸比的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖如圖9所示，在主輻射方向上(θ=0°)軸比優(yōu)于1 dB，在φ=0°面上軸比小于3 dB的角度范圍約為±60°，在φ=90°面上軸比小于3 dB的角度范圍約為±20°。 由于測(cè)試場地的局限和數(shù)據(jù)后處理的原因，從圖8和圖9中可以看出，與仿真結(jié)果相比，測(cè)試數(shù)據(jù)在偏離主輻射方向時(shí)出現(xiàn)了較多的波紋抖動(dòng)，但整體變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果相吻合，測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果取得了較好的一致性，這也驗(yàn)證了該型天線整體的設(shè)計(jì)合理性。

圖8 右旋圓極化增益仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖9 軸比仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種工作于X頻段、通過加載腔體實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的波導(dǎo)縫隙天線，分析了波導(dǎo)縫隙天線阻抗帶寬與縫隙偏置距離的關(guān)系以及極化腔實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的原理。該形式天線的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)思路明確、結(jié)構(gòu)較為簡單，且阻抗特性和圓極化特性相對(duì)獨(dú)立，二者的相互影響較小，降低了設(shè)計(jì)調(diào)諧的工作量。但存在的缺點(diǎn)是由于極化腔口徑的限制，天線的阻抗帶寬較窄，這使其在工程上的應(yīng)用范圍受到限制，所以后續(xù)工作中對(duì)該天線形式的改進(jìn)重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)極化腔的結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，使其在圓極化性能不受太大影響的情況下能給縫隙留出足夠的調(diào)諧空間。

審核編輯：劉清