Ku / Ka雙頻共孔徑微帶陣列天線設(shè)計(jì)方案解析

　1 引言
　　隨著星載雷達(dá)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)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(fā)展的趨勢(shì)所在。Pozar指出， 未來天基雷達(dá)系統(tǒng)將要求其天線子系統(tǒng)具備上述性能的同時(shí)且采用共孔徑結(jié)構(gòu)，這使得對(duì)DFDP共孔徑天線的需求日趨緊迫。在公開文獻(xiàn)中，已有多種形式的DFDP共孔徑微帶天線研究成果報(bào)道。都運(yùn)用了在工作于低頻段的方形貼片上開孔的方法，將工作于高頻段的方形貼片天線置于低頻段開孔處下方，分別構(gòu)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(cuò)放置形成的一個(gè)C/ X雙頻段共孔徑DFDP微帶陣列;給出了交錯(cuò)放置的微帶貼片天線和印刷偶極子形成的一個(gè)S/ X雙頻段共孔徑DFDP微帶陣列。和中所采用的交錯(cuò)放置結(jié)構(gòu)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頻段十字縫隙置于Ka頻段貼片單元的下方空隙處，縫隙長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)，因此能適用于一定范圍的頻率比。下文將詳細(xì)介紹這種天線的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果，以及設(shè)計(jì)中遇到的問題和解決辦法。
　　2 DFDP天線設(shè)計(jì)
　　拋物柱形反射面天線的性能對(duì)饋源的位置十分敏感，若雙頻段饋源其中一個(gè)偏離拋物柱反射面的焦線，難以做到兩個(gè)頻段天線的波束指向一致。將兩個(gè)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(jié)構(gòu)將兩個(gè)頻段天線整合在同一套結(jié)構(gòu)中。本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個(gè)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(gè)頻段天線共孔徑放置將會(huì)相互影響，為了避免這種影響使方向圖的對(duì)稱性變差，設(shè)計(jì)中Ku頻段十字縫隙和Ka頻段微帶貼片的分布須遵照?qǐng)D1（b）所示的對(duì)稱原則。圖中十字縫隙和微帶貼片均關(guān)于X軸對(duì)稱分布，左、右十字縫隙恰好對(duì)應(yīng)放置在左、右四個(gè)貼片的中央。
　　
　?。╝） 側(cè)視圖
　　
　　（b） 俯視圖
　　圖1 Ku/Ka DFDP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35.5 GHz。天線主波束沿著反射面軸向 （圖1（b）中X方向）需要掃描，掃描角范圍為，該方向的每個(gè)陣元均獨(dú)立饋電以進(jìn)行幅相加權(quán)。根據(jù)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(jié)構(gòu)嵌套后選取的陣元間距為：=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(wǎng)絡(luò)無法布下，Ka頻段目前只實(shí)現(xiàn)單極化。在垂直于反射面焦軸的方向上，Ku波段陣元由兩個(gè)十字縫隙組成，Ka波段陣元由四個(gè)微帶貼片組成?？紤]到高頻段加工誤差對(duì)天線性能的影響非常明顯，暫時(shí)未采用可實(shí)現(xiàn)寬帶的多層結(jié)構(gòu)。
　　圖1（b）中，Ku頻段縫隙天線沿X和Y指向的縫隙遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)分別為水平和垂直極化。Ku頻段陣元采用倒置微帶線饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)位于開槽金屬面下方降低了饋線的寄生輻射。水平極化饋電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用了倒相饋電技術(shù)［5］，圖中一分二功分網(wǎng)絡(luò)總口到兩個(gè)分端口的波程相差（為介質(zhì)波長(zhǎng)）。
　　由于Ku頻段水平極化饋電網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱，導(dǎo)致在一個(gè)陣元的水平上無法實(shí)現(xiàn)該極化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的對(duì)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(duì)稱和提高交叉極化電平。對(duì)各種排列方式的仿真結(jié)果表明圖2（a）所示的排列方式方向圖對(duì)稱性好且交叉極化電平較低。同樣對(duì)Ka頻段各種排列方式進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)，圖2