双极化赋形波束波导缝隙阵列天线研究∗

孟明霞， 丁晓磊， 丁克乾， 刘 昊， 史永康

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

双极化赋形波束波导缝隙阵列天线研究∗

孟明霞， 丁晓磊， 丁克乾， 刘 昊， 史永康

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

设计一种双线极化的赋形波束波导缝隙驻波天线阵，它是由两个极化相互正交的线阵交错排列组成的二维阵列。馈电网络通过采用等高不等宽的波导实现相位加权，通过改变缝隙倾角实现幅度加权，从而得到特定的赋形波束。馈电网络置于阵面背后，背馈方式的采用展宽了天线的带宽。脊波导的采用减小了波导的宽边尺寸，避免了栅瓣的出现，使天线结构更加紧凑。加工了天线实物，测试结果与仿真结果在赋形波束主瓣内吻合良好。

波导缝隙天线； 双极化； 赋形波束

引 言

波导缝隙阵列天线以其口面分布容易控制、辐射效率高、结构紧凑、性能稳定可靠、加工与安装便捷等诸多优点，在通信、雷达等系统中获得了广泛应用。

在这些系统中，往往需要天线具有双极化辐射特性。例如在SAR系统中，利用地物对不同极化电磁波散射特性的不同，采用双极化的工作模式就能够获取丰富的地物信息，从而更好地区分和鉴别地物；在卫星通信系统中，采用双极化天线可以在同一带宽内发射两种不同极化的信号，节约了频率资源，使频带利用率提高了一倍。随着系统功能需求的不断扩展，对天线波束形状也提出了新的要求，如余割平方波束、宽波束、特定指向波束等。因此，对双极化赋形波束波导缝隙阵列天线的研究具有重要意义。

以往设计的一些双极化波导缝隙天线都不尽如人意。文献[1]中，为了避免出现栅瓣，应用了很多介质材料，导致损耗较大，天线效率低，且天线的形式限制了其馈电方式只能采用端馈，带宽也窄；文献[2]中双极化的实现采用了两个分离的天线子系统，不仅体积大，而且馈电网络复杂，导致整体剖面高度高。

本文设计了一种±45°双线极化的波导缝隙驻波阵，可以实现收发同时。脊波导的采用减小了波导的宽边尺寸，避免了栅瓣的出现，使天线结构更加紧凑；同时该天线还采用背馈方式展宽带宽，馈电网络也相对简单。

要实现波束赋形，需要对波导缝隙阵的幅度和相位进行同时控制。本文通过变化缝隙倾角实现幅度加权，通过采用等高不等宽的波导实现相位控制，从而得到特定的波束赋形。馈电网络为两层波导结构，通过采用半高波导来减小整体剖面高度。

1 天线阵的设计

1.1 双极化辐射天线阵面设计

缝隙辐射单元是在脊波导的基础上设计的[3]，这里采用T型脊，使波导的宽边尺寸不到常规波导宽边尺寸的一半，给双极化的阵面布局提供了空间且避免了组阵之后栅瓣的出现。图1为脊波导辐射单元的结构模型。辐射单元由耦合缝、辐射缝和放置在它们中间的腔体三部分组成。腔体、耦合缝和辐射缝是一一对应的。耦合缝开在脊波导有脊的一面上，产生极化方向与波导轴垂直的线极化信号，并将此种极化状态的信号送入腔体中。腔体可以看作是传输线的一个过渡部分，有效地将信号从耦合缝送到辐射缝。辐射缝接收到从腔体传递过来的能量后将其辐射到自由空间。

辐射缝相对耦合缝分别旋转+45°和-45°后并列放置，组成相互正交的双线极化阵列，如图2所示。两个脊波导共用一窄边。由于腔体的位置和尺寸固定，此处为了使相邻腔体不重叠，第二根波导相对第一根波导移动了λg/4，此时两腔体间距也在1mm以上，保证了加工的需要。在每一根线阵上，相邻单元间距为λg/2(λg为波导波长)。由于每隔λg/2，波导壁表面电流的相位反相，因此为保证各个缝隙单元同相辐射，相邻耦合缝位于波导宽边中心线的两侧。

馈电波导采用背馈方式展宽带宽。但如果此时馈电波导仍放在脊波导的中间位置，两个极化的相邻两根馈电波导就会重叠，因此本文将两根馈电波导分别放置在偏离中间位置λg/4处，如图2。此时的馈电缝隙对两个波导而言都是串联缝，而耦合缝对辐射波导等效为并联缝。由于背馈时，对于耦合缝只要满足其归一化等效导纳之和为2，从馈电波导看就是匹配的，因此偏离辐射波导中间馈电仍然满足匹配要求。

图2 双极化波导缝隙线阵模型

1.2 赋形馈电网络设计

双极化赋形波束波导缝隙天线馈电网络布局如图3所示。两个极化的馈电波导分布在阵列的两侧。由于空间的限制，馈电波导均采用非标波导，且采用半高波导以降低天线的整体剖面高度。

图3 馈电网络模型

由于辐射波导是脊波导，因此激励辐射波导的缝隙采用“Z”字型。“Z”字型缝隙主要起到能量的耦合与匹配作用，为了使馈电波导传递过来的能量全部进入辐射波导，在“Z”字型缝隙正上方对应脊波导的T型脊位置开一段槽，如图3所示，从而在不改变脊波导内场的情况下保证能量有效传输[4]。

馈电网络采用两层波导设计，如图3所示。第一层是移相波导，第二层是幅度激励波导。移相波导的机械长度一致，通过改变移相波导宽边尺寸来实现相位的改变，并加入了过渡段以减小波导宽边不连续引起的反射。幅度激励波导在波导宽边中心线上开倾斜缝，通过改变缝隙倾角来实现激励幅度的控制。幅度和相位相互作用，从而实现需要的赋形波束。表1列出了本文6单元赋形阵列所需要的幅相分布。表2为根据幅度分布得到的幅度激励缝隙的倾角分布[5]。

表1 6单元赋形阵列的幅相分布

表2 幅度激励缝隙参数

1.3 仿真结果分析

通过上面的分析，在HFSS中建立模型，仿真得到赋形方向图，如图4、图5所示。由于阵面分布不同相，阵列单元之间的互耦影响复杂，导致交叉极化电平与同相分布时相比较高，约-20dB。副瓣设计在-20dB以下，满足指标要求。

图4 第一种极化仿真低频和高频方向图

图5 第二种极化仿真低频和高频方向图

2 天线实测结果分析

根据仿真模型加工了天线实物，如图6所示。天线方向图测试结果如图7、图8所示。由图可见，实测方向图主瓣与仿真结果吻合良好；交叉极化电平在-17dB以下，与设计值相差不大；但副瓣电平达到约-11dB，恶化严重，与设计值相差较大，这主要是因为天线加工误差偏大，尤其是脊波导内腔在加工过程中出现变形，导致副瓣等方向图指标恶化。

图6 天线实物

图7 第一种极化实测低频和高频方向图

图8 第二种极化实测低频和高频方向图

3 结束语

本文给出了一个双线极化赋形波束波导缝隙驻波天线阵的设计实例，它是由两个极化相互正交的线阵交错排列组成的二维阵列。馈电网络通过采用等高不等宽的波导实现相位加权，通过改变缝隙倾角实现幅度加权，从而得到特定的赋形波束。加工了天线实物，测试结果与仿真结果在赋形波束主瓣内吻合良好。但由于加工过程中脊波导内腔出现变形，导致加工误差偏大，使得方向图副瓣等指标严重恶化。下一步将研究加工误差补偿措施，尽量降低加工难度，减小加工误差。

[1]Park S，Okajima Y，Hirokawa J，and Ando M.A Slotted Post-wallWaveguide Array with Interdigital Structure for45° Linear and Dual Polarization[J].IEEE Trans.Antenna Propag，2005，53：2865～2871.

[2]WangWei，Jin Jian，Lu Jiaguo，et al.Waveguide Antenna Array with Broadband，Dual-polarization and Low Crosspolarization for X-Band SAR Applications[C]//IEEE International Radar Conference，2005：653～656.

[3]孟明霞，丁晓磊，等.任意极化波导缝隙天线的设计[J].遥测遥控，2008，29(6)：12～16.

[4]Cong Youji，Dou Wenbin.Design of Dual-Polarized Waveguide Slotted Antenna Array for Ka-band Application[C]// Proceedings of the 9th International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory，2010：97～100.

[5]王 杰，吕善伟.有限元方法设计赋形波束缝隙面阵馈电网络[J].北京航空航天大学学报，2002，28：574～577.

Design of Dual Polarized Shaped Beam Waveguide Slot Array Antenna

Meng Mingxia， Ding Xiaolei， Ding Keqian， Liu Hao， Shi Yongkang

A dual polarized shaped beam waveguide slot array antenna is proposed in this paper.The first polarization slot array is interlaced with the second one whose polarization is orthogonal with the first one to provide a planar antenna array.The phase exciting ismade by thewaveguideswith equal height and differentwidth，and the amplitude exciting ismade by changing the slot angles，then the proper shaped beam is achieved.A ridged waveguide is adopted to obtain a compact structure and the rear-feed distribution network is adopted to broaden the bandwidth.The antenna ismanufactured and the test result is coincidentwellwith the simulation in the shaped beam part.

Waveguide slot array antenna； Dual polarization； Shaped beam

TL503

A

CN11-1780(2014)06-0016-04

孟明霞 1984年生，硕士，工程师，主要研究方向为天线理论与技术。

丁晓磊 1971年生，博士，研究员，主要研究方向为天线理论与技术。

丁克乾 1976年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为天线理论与技术。

刘 昊 1976年生，博士，研究员，主要研究方向为天线理论与技术。

史永康 1978年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为天线理论与技术。

总装预研项目

2014-05-12 收修改稿日期：2014-08-06