一种新型高效率双极化背腔阵列天线

刘二平，宋长宏

(1．海军驻保定地区军事代表室，河北 保定 071000; 2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种新型高效率双极化背腔阵列天线

刘二平1，宋长宏2

(1．海军驻保定地区军事代表室，河北 保定 071000; 2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对卫星通信系统对双极化天线的隔离度、口径效率及端口隔离度等指标提出的要求，设计了一种高效率双极化背腔阵列天线，天线辐射单元采用方口喇叭，辐射效率高，采用空气悬置带线馈电网络大大降低了馈电损耗，采用反相馈电技术改善了天线的交叉极化隔离度。重点讨论了2×2子阵的口径效率、交叉极化和端口隔离。利用仿真软件进行了优化仿真分析，在此基础上研制了16×32阵列样件，对其电性能进行了测量，测试结果表明，此双极化阵列天线具有辐射效率高、交叉极化电平低、端口隔离度高的特点。

双极化；背腔；交叉极化；口径效率

0 引言

随着卫星通信技术的发展，对天线的要求越来越高，不仅要求天线具双极化辐射、高增益和高隔离度，同时要求天线具有低轮廓、高效率和小型化等特点［1］。目前采用平面阵列天线形式是实现天线低轮廓、小型化的主要途径。文献［2，3］报道的双极化阵列天线主要以微带天线为主，微带阵列天线的特点是低轮廓、小型化、加工精度高和易集成，但馈线冗长、损耗大及辐射效率低，尤其是极化隔离度只有10～20 dB，较差的端口隔离度将严重影响通信质量，尤其在极化分集的通信系统中对通信质量影响会更大。采用波导结构的双极化阵列天线馈线损耗低、辐射效率高，但是结构笨重、带宽窄，且实现双极化技术并不成熟［4］。

1 单元设计

1.1 结构设计

如图1所示，天线辐射单元由方口喇叭、馈电网络和背腔组成，利用探针激励方形腔体实现对方口喇叭馈电，探针采用印制板敷铜结构实现，该结构的优点是加工精度高、损耗低可实现任意结构形式。微波板材为TACONIC公司的TLY－5A型号，厚度为0．127 mm，介电常数为2．2，损耗正切为0．000 9。利用功分网络实现4个单元的能量合成，背腔结构保证了天线的定向辐射，馈电网络分为上下两层，探针正交放置，实现正交双线极化激励，网络上下两层放置可使两极化功分网络不交叉。

图1 外形结构

1.2 仿真分析

选择天线的工作频段为23～26 GHz，方口喇叭口径尺寸A=0．87λ，方腔边长尺寸为B，参数B决定天线的工作频段，通常取B=λ/2(λ中心频率对应的波长)，喇叭间距为D=0．92λ，选择合适的单元间距可获得较高的组阵效率，采用此种组阵方式可以充分利用口径面积提高口径辐射效率。

利用三维电磁场仿真软件HFSS对2×2子阵单元进行了优化仿真设计，以口面辐射效率为优化目标，其中喇叭口径A=10．75 mm，高度H3=4 mm，腔体宽度B=6．87 mm，喇叭间距D=11．25 mm。仿真设计中发现喇叭高度H3对天线效率影响较大，通过优化设计H3可以获得较高的辐射效率，如图2所示方向图增益随参数H3变化曲线，当H3=4 mm时增益为16．5 dB，2×2子阵天线口径尺寸为24 mm× 24 mm，对应的天线口径效率为92%。

图2 2×2子阵方向图

悬置带线以探针形式激励腔体，馈电探针末端与匹配盘之间留有一定的间隙，上下层匹配盘的直径分别为R1和R2，调整匹配盘的直径可实现对天线匹配的调谐。

2 双极化特性分析

双线极化天线端口隔离度，交叉极化电平是至关重要的指标，也是双极化阵列天线难以实现的指标，作为各种形式的双极化微带阵列天线来说由于辐射单元、馈线间耦合影响较大，导致交叉极化和端口隔离的指标恶化，这是这类天线普遍存在的问题。文中提出的天线单元结构，喇叭张口较大，方向图波束较窄所以耦合较小，同时馈线封闭的导体腔内馈线无寄生效应，馈线间耦合较小，但是作为探针结构的极化双工器，上下层探针的耦合会导致交叉极化和端口隔离度恶化，工程上一般在－25 dB左右［5］。为了进一步提高天线极化纯度和端口隔离隔离度指标，采用反相馈电技术，如图3所示。

图3 反相馈电网络

相邻2个喇叭单元的探针馈电方向是相反的，为了实现电场同相叠加，需要180°相位延迟处理，这样经过反相馈电和相位延迟再经过功率合路实现了2个单元电场的同相叠加，在此过程中抑制了交叉极化分量提高了两极化端口隔离，降低了交叉极化电平，如图4给出了主极化和交叉极化方向图的仿真结果。

图4 交叉极化

从仿真结果来看，2个正交极化的交叉极化电平小于－45 dB，两极化的端口隔离小于－40 dB，由此可见，采用反相馈电技术大大降低了天线的交叉极化电平，改善了两极化端口隔离度。

3 阵列设计与实测结果

基于2×2子阵设计，加工了16×32阵列天线样件，天线阵列的整体结构分为3层，分别为辐射层、馈电网络层和背腔层。采用数控分层加工的方法，印制板挤压在每层之间，利用销钉定位、螺钉压紧的装配方法，保证电磁波屏蔽。对天线样件进行了实测，从实测结果来看，带宽内(23～26 GHz)天线阵列增益大于35．8 dB(当频率为23 GHz时)，天线口径尺寸为190 mm×380 mm，口面效率大于70%，阵列口面效率比单元天线效率比较有所下降，主要是因为装配精度、馈电网络损耗等因素所致，交叉极化电平小于－40 dB，端口隔离度小于－35 dB，2个端口的回波损耗小于－15 dB。

4 结束语

给出了一种背腔结构的双极化阵列天线，介绍了2×2子阵的设计方法，给出了子阵单元的辐射特性，重点分析了该天线交叉极化和端口隔离指标特性，并采用反相馈电技术改善了天线的交叉极化电平和端口隔离度的技术指标，最后加工和实测了16×32阵列天线样件，测试结果表明天线阵列口面效率大于70%，端口隔离度小于－35 dB和交叉极化电平小于－40 dB。在要求小孔径天线的卫星通信系统中，此种天线具有很好的工程应用前景。

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A Novel High-efficiency Dual-polarization Cavity-backed Array Antenna

LIU Er-ping1，SONG Chang-hong2
(1．Military Representative Office of PLA Navy Stationed in Baoding Region，Baoding Hebei 071000，China; 2．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

In this paper，a novel dual-polarization cavity-backed array antenna at K-band is introduced．The radiation aperture-efficiency，cross-polarization，port isolation of a 2×2 sub-array are discussed，and optimized by software．A 16×32 array prototype is developed and tested．The measurement results show that the dual-polarization array antenna proposed in this paper has characteristics such as high efficiency，low cross-polarization level and high port isolation．

dual-polarization;cavity-backed;cross-polarization;aperture-efficiency

TN82

A

1003－3114(2015)05－64－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.17

刘二平，宋长宏．一种新型高效率双极化背腔阵列天线［J］．无线电通信技术，2015，41(5):64－66．

2015－04－20

刘二平(1977—)，男，工程师，主要研究方向:机电一体化设计。宋长宏(1980—)，男，高级工程师，主要研究方向:宽带阵列天线、共形天线设计。