一种宽带紧凑高可靠性Ku 波段波导阵列天线的研制

尹经禅

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川成都，610036）

0 引言

近年来，在大量涌现的实际需求的牵引下，通信[1]、导航、雷达[2]、敌我识别等领域的电磁信息技术有了突飞猛进的发展。在所有这些电磁信息领域中，都离不开一类共同的物理部件——传感器，即天线。天线作为电磁信息的收发最前端，直接将电磁信号能量辐射到空间或从空间接收电磁信号能量，天线的性能决定了其不同的应用领域，应用的多样性导致了种类繁多的天线形式，如通信天线[3]、卫星导航天线[4]、雷达天线[5]等；从天线规模上看有单天线和阵列天线；从收发信号带宽上看有窄带天线和宽带天线[6]；从制作材料上看有微带天线[7]、振子天线、喇叭天线[8]、抛物面天线等；从工作波段上看有S[9]、L[10]、C、X、Ku、K、Ka 等波段天线。在众多天线形式中，本文着眼于宽带、高可靠性的性能需求，研制了一套宽带紧凑高可靠性Ku 波段波导阵列天线。该天线结构简单，采用纯金属材料依靠机加工制作，可靠性高，不易出现损坏或故障。由于采用波导组阵实现，因而具有大于2GHz 的宽带特性，同时具有大于22dB 的天线增益。研制的天线实物经实际测试，具有良好的电性能，符合设计指标。该天线的研制为通信等领域的宽带高可靠性低成本天线应用提供了一套有益的解决方案。

1 天线的设计

研制的天线工作于Ku 波段，其射频接口为SMA。该天线主要用途是实现Ku 波段信号的收发功能。天线主要由天线面板、功率合成网络和波导同轴转换器组成，如表1 所示。

表1 天线组成

天线的组成框图如图1 所示。整个天线由16 个宽带波导天线单元等间距布阵，形成4×4 的正方形阵列天线，各天线单元由功率合成网络实现射频信号功率的功分与合成功能，功率合成网络接波导同轴转换器，实现射频信号功率由同轴电缆输入输出。

图1 天线组成框图

具体工作原理如下：在发射工作状态，来自射频通道的Ku 波段信号经过波导同轴转换器送至功率合成网络，功率合成网络将信号均分，再送至16 个圆极化天线单元，通过阵列的形式发送至空间；在接收工作状态，16 个圆极化天线单元将空间的Ku 频段信号接收，然后送至功率合成网络进行波束合成，再经过波导同轴转换器送至射频通道。

设计的天线面板如图2(a)所示，各天线单元紧凑排列，整个天线面板由机加工一体成型，能保证天线的高度可靠性。加上功率合成网络的整个天线结构模型如图2(b)所示，天线侧面可设计成与转台或其它不同的机械接口连接。为防止水汽或其它异物进入天线内腔体，可在天线面板上面贴一层天线罩膜层材料，既能透波又能起防护作用。在天线的储存和搬运过程中，为保护整个天线特别是保护天线罩膜层材料不被损坏，可在天线罩膜层材料外为天线加一个橡胶材质辅助保护盖，天线不用时套上保护盖，天线使用时去掉保护盖，加保护盖的天线效果图如图2(c)所示，图中侧面为波导同轴转换器的同轴端口。图2(d)为研制的天线实物（去掉保护盖），天线材料为防锈铝，能满足盐雾、湿热、霉菌等苛刻环境要求，并且该材料质量小、强度高，具有很好的环境适应性。

图2 天线设计图与实物图

2 天线的测试

在完成天线的设计和实物研制后，对其进行性能测试，测试所用设备和仪器如表2，性能测试内容包括端口电压驻波比测试和暗室中的辐射性能测试。

表2 测试用设备与仪器

端口电压驻波比测试框图如图3 所示，利用矢量网络分析仪对天线端口的电压驻波比VSWR 进行直接测试，验证实测值是否符合设计要求。测试结果如图4 所示，在整个宽频带范围内端口电压驻波比小于1.83，测试指标良好。

图3 端口电压驻波比测试框图

图4 端口电压驻波比测试结果

天线辐射性能测试，选择满足计量要求的微波暗室进行，测试原理示意图如图5 所示，其具体步骤为：

(a)建立如图5 所示的测试系统，将待测天线方位面安装在转台上，将被测天线中心与方位转台中心重合，加电预热使测试系统仪器设备工作正常；

图5 天线电性能测试示意图

(b) 按照测试要求规定的频率测试点（频率点：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz）， 馈 源组件发射信号。将发射天线设置为垂直极化，通过调节转台将发射天线和待测天线对准，接收信号电平最大；

(c) 运行测量软件，设定待测天线角度扫描范围θ=±90°；利用计算机自动采集网络分析仪仪测量的方向图数据，保存为方位面垂直极化数据；

(d)将发射天线设置为水平极化，通过调节转台将发射天线和待测天线对准，接收信号电平最大；

(e) 运行测量软件，设定待测天线角度扫描范围θ=±90°；利用计算机自动采集网络分析仪仪测量的方向图数据，保存为方位面水平极化数据；

(f)利用软件对对方位面的垂直极化及水平极化进行圆极化合成自动处理，得到待测天线的方位面圆极化方向图特性，并保存为方位面圆极化数据。

(g)将待测天线旋转90°，俯仰面安装在转台上；

(h) 按照测试要求规定的频率测试点（频率点：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz）， 馈 源组件发射信号。将发射天线设置为垂直极化，通过调节转台将发射天线和待测天线对准，接收信号电平最大；

(i) 运行测量软件，设定待测天线角度扫描范围θ=±90°；利用计算机自动采集网络分析仪仪测量的方向图数据，并保存为俯仰面垂直极化数据；

(j)将发射天线设置为水平极化，通过调节转台将发射天线和待测天线对准，接收信号电平最大；

(k) 运行测量软件，设定待测天线角度扫描范围θ=±90°；利用计算机自动采集网络分析仪仪测量的方向图数据，并保存为俯仰面水平极化数据；

(l)利用软件对对俯仰面的垂直极化及水平极化进行圆极化合成自动处理，得到待测天线的俯仰面圆极化方向图特性，并保存为俯仰面圆极化数据。

利用测试软件对天线的方位面、俯仰面圆极化数据进行分析和统计，得到天线方向图的工作频段、天线波束宽度、极化方式、圆极化轴比等性能，并记录下来。

天线增益测试采用增益对比法进行测试。测试步骤如下所示：

(a)将待测天线取下，换上标准增益喇叭天线，并将发射天线和标准增益天线都设置为垂直极化。按照测试要求规定的频率测试点（频率点：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz），馈源组件发射信号。将发射天线与标准增益天线对准后，设定标准增益天线角度扫描范围θ=±10°，记录最大电平值P0v；

(b)将发射天线与标准增益天线都设置为水平极化，按照测试要求规定的频率测试点（频率点：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz），馈源组件发射信号。将发射天线与标准增益天线对准后，设定标准增益天线角度扫描范围θ=±10°，记录最大电平值P0h；

(c)将测试到水平极化、垂直极化方向图通过测试软件合成圆极化方向图，并记录最大值Pc。

(d)通过公式：

求到待测天线增益G。

式(1)、(2)中：G0：标准天线增益；P0v：标准增益天线垂直极化最大电平；P0h：标准增益天线水平极化最大电平；Pc：待测天线合成圆极化最大电平；G：待测天线圆极化增益。

通过上述公式，即可计算出天线的增益。

天线在方位面的方向图测试结果如图6 所示，给出了典型频点的归一化方向图。天线在俯仰面的方向图测试结果如图7 所示，同样给出了典型频点的归一化方向图。

根据图6 和图7 的天线方向图测试结果和增益测试情况，可得出天线各项性能良好，在2GHz 的宽带范围内具有大于22dB 的天线增益。

图6 天线方向图测试结果（方位面）

图7 天线方向图测试结果（俯仰面）

3 结论

研制了一套宽带紧凑高可靠性Ku 波段波导阵列天线，该天线由16 个宽带波导天线单元组阵实现。经过性能测试，发现测试数据良好。该天线采用纯金属材料依靠机加工制作，保证了极高的可靠性；利用波导组阵实现，具有很好的宽带特性，同时具有很好的功率耐受能力。在要求宽带高可靠性和较高增益的应用场合，该天线给出了一个有效的解决方案，可供选择参考。