新型低剖面Ku波段平板天线设计

李 凡,赵 航

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星通信具有覆盖范围广，且不受天气、地形和时间的限制等特点，随着通信系统的发展，卫星通信的使用范围越来越广泛。Ku通信频段频谱资源丰富，可同时支持数据和视频等业务，在卫星通信中的优势更加明显。为了与卫星建立稳定可靠的通信链路，就需要天线有足够大的口径和足够高的增益。但是地面的移动载体，车辆和舰船需要天线具有剖面低和重量轻等特点。

目前大口面高增益天线的实现方式主要有反射面天线和阵列天线技术。反射面天线具有效率高、成本低、功率容量大等特点，但同时具有体积大和剖面高等劣势，在低剖面天线设计时无法保证辐射效率而且设计难度大大增加。阵列天线主要有微带阵列和平板喇叭阵列等形式。微带阵列天线具有剖面低、重量轻等特点，但是微带线损耗大，增益到达一定范围时，面积的增大不一定带来增益的增加。平板阵列天线具有剖面低效率高等特点，但是平板阵列天线一般为纯金属结构，重量较重[1-6]。

针对以上天线的特点，本文提出了一种新型天线单元。此天线单元在常规平板阵列天线的基础上去除了辐射喇叭，减轻了天线的重量，使天线的剖面更低。

1 天线的原理与设计

常规天线单元外形结构图如图1所示，新型天线单元见图2。常规天线单元分为三大部分：谐振腔、辐射喇叭和馈电端口，辐射喇叭可以为张角喇叭或者直角喇叭；新型天线单元采用小口径拼阵，取消了辐射喇叭，有效降低了天线高度。

图1 常规天线单元模型

图2 新型天线单元模型

由天线原理可知，天线辐射口面上的电场均匀分布时，可产生最高的辐射效率。辐射喇叭是为了在比波导尺寸更大的口径上产生均匀的电场分布，从而获得更高的辐射效率，增加定向辐射效果。平板阵列天线通过馈电端口将能量输入谐振腔，能量在谐振腔内震荡并通过辐射喇叭辐射出去。当天线单元采用小口径时，辐射喇叭入口处的能量和相位分布仍然比较均匀，尚未对天线辐射效率构成较大影响。

2 天线性能仿真

基于以上分析，提出了新型天线单元，并在Ku频段进行了仿真分析。图3-图4为仿真增益。从仿真结果看出，天线单元增益大于7dB，详见表1。

图3 单元接收方向图

图4 单元发射方向图

表1 天线单元仿真结果

天线组阵常用波导或带状线进行等幅同相馈电。波导传输损耗小，但是体积大，小口径拼阵时无法进行排布。带状线体积小，可以极大的压缩天线厚度，有效控制天线的体积和重量。

根据谐振腔尺寸和馈电带状线尺寸，选取较小的单元间距。以2×2单元作为天线子阵，利用带状线功率分配器对单元进行等幅同相馈电，天线发射能量时，电磁能量由功分器输入口输入，通过带状线功分器将能量均匀分布至4个天线单元，能量通过谐振腔震荡后辐射出去。带状线功分器示意图见图5，天线整体仿真模型见图6。

图5 带状线功分器

图6 子阵仿真模型

优化带状线的性能，微调谐振腔边长和高度，可以得到最优电性能。

图7-图10为天线子阵仿真增益，图11为天线子阵仿真驻波。从仿真结果看出，天线子阵增益大于13dB，天线驻波小于1.6，详细数据见表2。

图7 子阵方向图(12.25GHz)

图8 子阵方向图(12.75GHz)

图9 子阵方向图(14GHz)

图10 子阵方向图(14.5GHz)

图11 仿真驻波

表2 天线阵列仿真结果

图12 实物照片

3 加工测试结果

根据前面的理论分析及仿真结果，实际设计了16×16单元阵列样件并进行了方向图及驻测试。为了满足天线的低重量要求，在适当位置进行减重，天线实物照片见图12，测试结果见图13-图17。通过对比法测试天线各频点增益，实测增益见表3。

图13 实测方向图(12.25GHz)

图14 实测方向图(12.75GHz)

图15 实测方向图(14GHz)

图16 实测方向图(14.5GHz)

图17 实测驻波图

表3 实测结果

4 结束语

本文设计了一种低剖面平板天线，天线单元取消了辐射喇叭，有效降低了天线的高度，相对降低了天线重量。理论分析和实测结果显示，低频段效率较高，高频段效率较低，这是由于在高频段，天线拼阵间距仍然较大，辐射口面处的电场和相位分布已经出现分布不均匀现象导致效率较低，与理论分析一致。

天线仿真结果和测试结果一致性较好，天线整体效率较高。本天线为金属件与印制板相结合的结构，金属件和印制板都采用成熟高精度加工工艺，加工简单，装配容易，可靠性较高，适合多种环境使用。