双极化全并馈缝隙阵天线设计

王中一 杨丽娜 张宁宁

(中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009)

0 引言

新一代空空导弹将逐渐主宰空中战场，成为夺取制空权和制信息权的主战导弹，与早期导弹相比，抗干扰种类及要求越来越高。极化作为天线的一个重要特性，可以为导弹在速度、距离信息的基础上提供额外的信息，实现对目标、干扰的识别和对抗。作为探测系统的重要组成部分，双极化天线成为了研究重点之一[1-2]。波导缝隙天线不但剖面低、体积小、重量轻，而且具有较高的辐射效率和增益，更易实现低副瓣，因此研究双极化波导缝隙天线对小型化、多极化、高效率毫米波末制导系统的发展具有重要意义。

传统的双极化波导缝隙驻波阵列采用串联馈电方式来激励辐射缝隙，长线效应使得天线的工作带宽受到了限制，研究学者为了扩展波导缝隙阵天线的带宽，采取的方法主要有四种：一是将天线分成若干个子阵；二是采用中间馈电的馈电方式[3]；三是采用双缝来代替单缝作辐射单元[4]；四是采用脊波导来代替矩形波导[5]。这些方法虽然能够增加波导缝隙天线的带宽，但是未改变缝隙天线串联馈电的本质，无法从根本上解决带宽受限的问题。

2005年Sehyun Park等在文献中提出了采用矩形波导谐振腔开±45°的两条正交缝隙的形式实现双极化[6]，但该形式天线为避免出现栅瓣，应用了很多介质材料，从而损耗较大，天线效率低。2009年孟明霞等提出采用单脊波导宽边偏置缝为波导谐振腔馈电[7]，波导谐振腔上方开一定角度的斜缝，相邻谐振腔上的辐射缝隙正交，在偏置缝对侧增加金属调谐块改善驻波的方法来取得宽带双极化，但该形式天线需要对每个偏置缝处的金属进行单独调谐，增加了设计和加工难度。2014年Dongjin Kim等提出了一种全并馈形式的双极化波导缝隙天线[8]，采用“十”字型缝隙单元实现辐射两种线极化，并且各缝隙单元间为并联馈电，有效提高了双极化波导缝隙天线的驻波带宽和增益带宽。

本文以2×2双极化全并馈缝隙天线子阵为基础，开展共口径双极化全并馈缝隙阵天线的设计。文中首先采取理论分析和仿真优化的方法，在Ka频段对单元辐射部分关键参数进行仿真分析，得到其变化趋势对天线性能的影响，掌握辐射部分的设计方法，为后续阵列天线的设计奠定基础；接着对全并馈缝隙天线子阵馈电网络进行选型设计和结构布局，从而实现整个天线的电性能设计和结构设计；最后开展天线实物加工及测试，并进行实测数据与仿真设计数据的对比分析，完成设计验证。

1 天线单元设计

1.1 天线单元结构及工作原理

双极化全并馈缝隙阵天线的各缝隙单元间采用并联馈电，进而避免了串联馈电带来长线效应的影响，有效提升了缝隙天线的工作带宽。该缝隙阵天线单元将两种极化合并为一个单元，且该单元由一个2×2的子阵组成，单元之间为并联馈电关系。图1是双极化全并馈缝隙阵天线单元的结构图，定义沿x轴方向为垂直极化方向，沿y轴方向为水平极化方向；从上到下依次为双极化辐射缝隙层，四脊波导传输层，双极化耦合缝隙层，水平极化馈电网络层，垂直极化耦合缝隙层，垂直极化馈电网络层。

图1 双极化全并馈缝隙阵天线单元结构模型

天线单元采用“十”字辐射缝实现双极化功能，四个辐射缝隙共用一个空腔波导，空腔波导为四脊波导。四脊波导中的TE10模与TE01模，其磁流方向分别在宽边与窄边中线处最强，因此将两个模式的激励缝隙分别放置于宽边与窄边的中线处时，就能够在四脊波导中分别激励起TE10模和TE01模，而两个激励缝隙也就形成了“十”字耦合缝。通过改变“十”字耦合缝的缝长和缝宽，来调节耦合能量的强弱，实现馈电部分和辐射部分的阻抗匹配。

电磁波从垂直极化馈电波导馈入时，由垂直极化耦合缝耦合到水平极化波导，经过水平极化波导上方的双极化耦合缝隙进入四脊传输波导，在四脊传输波导中激励起 TE10模，电磁波在四脊传输波导中将高次模截止，TE10模在四脊波导中沿z轴方向传输，TE10模式的y方向磁场在辐射缝隙层经垂直极化缝隙选取，最后将电磁波辐射到自由空间。图2为垂直极化馈电波导到双极化耦合缝隙传输过程中的磁场示意图，垂直极化方向为x方向。

图2 垂直极化馈电磁场示意图

电磁波从水平极化波导馈入时，直接由双极化耦合缝隙层馈入四脊传输波导，在四脊波导中激励起 TE01模，电磁波在四脊传输波导中将高次模截止，TE01模在四脊波导中沿轴向传输，TE01模的x方向磁场在辐射缝隙层经水平极化缝隙选取，最后将电磁波辐射到自由空间。水平极化馈电波导到双极化耦合缝隙传输过程中的磁场示意图如图3所示，水平极化方向为y方向。

图3 水平极化馈电磁场示意图

令天线工作在Ka波段，“十”字耦合缝隙下端的两个极化馈电波导均采用矩形波导。天线设计过程中需要综合考虑天线单元间距、矩形波导尺寸、波导壁厚等参数，保证天线阵面和馈电网络布局的工程可实现性。此处，矩形波导的宽边和窄边尺寸分别选取5.6mm与2.4mm。根据理想缝隙辐射原理，选定辐射缝隙长的初值为0.5λ。

1.2 重要结构参数对天线性能影响

四脊波导内传输的电磁场不对称，会导致相邻辐射缝辐射不均匀，而四脊波导的结构尺寸影响两个主平面方向图的栅瓣值大小。四脊波导内应传输主模，抑制高次模。可通过调节四脊波导的结构尺寸传输主模抑制高次模。“十”字耦合缝激励四脊波导，通过改变“十”字耦合缝的长度以及宽度来调节耦合能量的强弱，同时实现阻抗匹配。

天线单元结构参数较多，垂直极化波导、垂直极化耦合缝的各项参数主要影响垂直极化端口反射系数，而水平极化波导的各项参数主要影响水平极化端口反射系数，但四脊波导和双极化耦合缝隙的设计对两个端口的反射系数均有影响，因此，重点仿真分析四脊波导以及双极化耦合缝隙中各参数对天线两个端口反射系数的影响，此处令水平极化端口为1端口，垂直极化端口为2端口，仿真结果如图4-图9所示。

图4 四脊波导厚度变化对S11和S22的影响

图5 四脊波导宽度变化对S11和S22的影响

图6 沿y方向双极化耦合缝隙缝宽对S11和S22的影响

图7 沿y方向双极化耦合缝隙缝长对S11和S22的影响

图8 沿x方向双极化耦合缝隙缝宽对S11和S22的影响

图9 沿x方向双极化耦合缝隙缝长对S11和S22的影响

由以上仿真结果可知，四脊波导厚度对天线两个端口的反射系数均有影响，四脊波导厚度对S11、S22参数变化存在最优值，厚度越厚，S参数带宽越宽，达到一定值以后，中频开始变差；四脊波导宽度越窄，两个端口带宽越宽，但达到一定值之后S11、S22中频变差；因此，调节四脊波导的厚度和宽度可有效改善天线的反射系数。

沿y方向、沿x方向双极化耦合缝缝宽对S11、S22均有影响。沿y方向双极化耦合缝缝长主要影响S22参数的变化，沿x方向双极化耦合缝缝长主要影响S11参数的变化。因此，可通过调节双极化耦合缝隙的缝宽和缝长可优化双极化全并馈天线的反射系数。

2 双极化全并馈缝隙阵天线设计

本文针对4×4的双极化全并馈缝隙阵天线进行研究，且为等幅同相馈电，天线辐射单元可参照上节仿真结果进行优化设计。下面对4×4天线阵列的馈电网络进行分析设计。

2.1 天线馈电网络设计

对于垂直极化，可直接将4个2×2的天线单元在垂直极化波导馈电层(即最底层)进行功分网络合成，形成垂直极化和口。由于垂直极化波导是通过宽边纵缝对“十”字耦合缝馈电，本天线采用H-T波导功分网络进行仿真设计，就可保证相邻两个天线单元同相馈电。

对于水平极化，若采用与垂直极化相同的H-T功分网络，由于H-T功分网络内的TE10模式在两个相邻天线单元的水平极化耦合缝隙处的磁场刚好反相，如图10(a)所示，两个天线单元则形成差波束。将水平极化的功分网络通过耦合缝进行馈电，即分层馈电，其在相邻两个天线单元的耦合缝隙处磁场方向则保证同相，功分结构及磁场示意图如图10(b)所示。功分波导层的增加在“十”字耦合缝隙层实现，相当于增加了耦合缝隙的厚度，这样的设计使得天线阵列能够实现双极化单元间等幅同相辐射的目的。采用两个分层馈电的功分网络和一个H-T功分网络，可实现水平极化馈电功分网络的设计。

图10 两种功分网络的磁场分布示意图

2.2 双极化全并馈天线整体设计

将4个2×2天线单元按照等间距排列成4×4天线阵，同时为了便于后期测试，对两个极化的馈电波导均进行过渡变换，转换成标准波导口。将天线的整体模型在Ansoft HFSS中建模，微调仿真优化，天线整体仿真模型如图11所示，优化后的两个极化端口的反射系数、通道隔离、天线的主平面方向图及交叉极化隔离分别列于图12-图13所示。

图11 双极化全并馈天线阵仿真模型

图12 双极化全并馈缝隙阵天线仿真S参数

图13 双极化全并馈缝隙阵天线仿真方向图

从仿真结果可知，双极化全并馈缝隙阵天线整体仿真的S11、S22在-15dB下带宽均有2.5GHz，两端口隔离小于-49.7dB，2GHz带宽内，水平极化增益为19.45dB～20.16dB，垂直极化增益波动范围为19.49dB～20.19dB。水平极化馈电时，E面、H面极化隔离最小值分别为-29.91dB、-34.31dB；垂直极化馈电时，E面、H面极化隔离最小值分别为-33.8dB、-23.7dB。

3 实物测试

根据上述天线仿真模型，开展天线实物加工，产品照片如图14所示。天线实物测试的反射系数和方向图如图15-图16所示。

图14 天线实物

图15 双极化全并馈缝隙阵天线实测反射系数

图16 双极化全并馈缝隙阵天线实测方向图

将S参数的仿真和测试数据汇总列于表1，对比分析可知：天线实物的S参数测试结果，垂直极化端口反射系数带宽略有变窄，主要原因是由于零件的加工公差及焊接的装配误差造成低端的匹配性能变差。水平极化端口反射系数的实测结果与仿真结果吻合较好。

将方向图的仿真和测试数据汇总列于表2，对比分析可知：天线实物的增益下降1.5～1.6dB；交叉极化抬高3～12dB。需要说明的是，实测增益包括了波导同轴过渡的损耗，天线的增益实际会更高一些。交叉极化虽有抬高，但整体仍小于-20dB，处于较低状态。

表1 S参数仿真测试数据对比

S参数仿真值仿真频带宽度实测值实测频带宽度1端口反射系数-15dB34.6GHz～37.2GHz-15dB34.6GHz～37.24GHz2端口反射系数-15dB34.6GHz～37.2GHz-15dB35.46GHz～37.04GHz端口隔离-49.7dB34.6GHz～37.2GHz-45dB34.6GHz～37.2GHz

表2 方向图仿真测试数据对比

数据来源仿真实测频点(GHz)35～3735～37增益(dB)水平极化19.417.9垂直极化19.417.8主极化为水平极化的交叉极化(dB)E面-29.9-21.77H面-34.7-22.8主极化为垂直极化的交叉极化(dB)E面-23.7-20.8H面-34.4-22.9

4 结束语

综上，本文完成的主要研究内容为：分析了双极化全并馈缝隙阵天线单元内部的电磁场传播路径、双极化工作的模式转换过程及工作原理；根据天线工作原理对天线单元的参数进行调整优化设计，研究了关键参数对天线反射系数的影响，为天线辐射单元设计提供指导；在2×2子阵仿真模型的基础上，完成了4×4天线阵列的馈电网络设计，既保证了工程可实现性，又实现了结构的紧凑布局，很好的适应了未来天线结构小型化应用的趋势；完成了双极化全并馈缝隙阵天线的实物性能测试，并开展了仿真实测数据对比分析。

本项目的研制，验证了双极化全并馈天线的性能及工程可实现性，此天线极化隔离度较高、带宽较宽，弥补了传统双极化缝隙阵天线的不足，提高了缝隙阵天线的性能。另外，此种天线还可用作有源相控阵天线单元，对共口径双极化天线研制有重要的借鉴作用。