学术：K波段圆波导天线及阵列设计

Original 2016-12-16 ☞ 信息与电子前沿

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今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第五十四研究所专家杨国栋，牛传峰。本篇节选自论文《K波段圆波导天线及阵列设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第3期。下面和小编一起开始学习吧~

1.引言

随着电子信息技术的快速发展，雷达、通信等领域终端设备对天线技术的要求日益提高。在这些领域，相控阵天线得到了广泛的应用，它具有无惯性波束，波束使用灵活，能量管理便捷等优点。美国雷神公司研制的氮化镓基有源相控阵天线已装备爱国者防御系统。美国哈里斯公司使用普通印制板天线已研制出应用于Ka频段通信相控阵天线。国内外许多科研单位在K频段有源相控阵天线方面也展开了大量的研究工作，并已取得诸多成果。

天线单元是相控阵天线最重要的组成部分。天线单元的选取主要取决于相控阵天线的工作频率、工作带宽、扫描角度等电性能指标，同时还需考虑不同载体平台的结构性要求。能够工作在K频段的相控阵天线单元形式有很多种，例如微带贴片天线、Vivaldi天线、振子型天线、矩形波导天线等等。

本文提出了一种介质加载圆形波导实现宽带宽角波束扫描的相控阵天线形式。与其他相控阵天线单元相比较，圆形波导天线单元具有波束等化性好、高效率、高可靠度等优点，并且加工成本较低，一致性好，适合大批量生产。采用三角形排布组成的相控阵天线，通过圆极化波导天线后端设计阶梯型变换器，将圆波导转变为矩形波导，方便与后端射频器件连接。天线内部填充介质材料后，在较小的尺寸下仍可进行主模传输，实现了单元的小型化设计，满足了波束扫描范围要求。设计的天线在K频段内单元增益大于5dBi，有源驻波小于2.5:1，波束宽度大于95°扫描范围可达±45°。

2.圆形波导天线单元设计

圆形波导天线单元如图1所示。其结构包括圆形波导、阶梯型圆矩过渡、加载介质三部分。天线单元直径为7.2mm，主模截止频率为24GHz。因此需使用介质加载的方式满足工作频带要求。介质加载后在波导口面通过延伸出介质匹配块的方式进行阻抗匹配。延伸出的介质可以为圆台形或圆柱形等形状。介质选用介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。

图 1 介质加载圆波导示意图

分别对两种介质匹配块进行了仿真优化，结果如图2、图3所示。采用两种介质形状均可通过优化得到较好的匹配特性，但圆柱型比圆台型介质引入的插入损耗小。从图3中可以看出，使用圆柱形匹配块比圆台形匹配块增益提高了约1dB。

对圆柱形介质高度进行了优化仿真，结果如图4所示。介质高度在0.8mm时天线匹配较好。

图 2 两种介质匹配块电压驻波比对比

图 3 两种介质匹配块增益曲线对比

图 4 不同介质块高度电压驻波比曲线

圆形波导与矩形波导连接，中间需设计一种圆矩过渡：可采用直接平滑过渡，也可采用阶梯型过渡。考虑到天线的高度以及易加工性，本文采用阶梯型过渡。圆矩过渡通过三节阶梯实现，借助电磁仿真软件可获得较优的结果。三节阶梯总高度为5.9mm，每节的阶梯的尺寸如表1所示。

表1 阶梯过渡段各级尺寸表

3.阵列仿真计算

对100个单元组成的波导阵列进行仿真分析，如图 5所示。阵列单元的有源驻波、单元间隔离以及阵中单元的方向图如图6、图7、图8所示。从仿真结果中可以看出，天线单元的有源驻波比小于2.0:1，端口隔离小于-20dB。阵中单元的辐射方向图波束宽度达到95°且在波束主瓣内具有较好的等化特性，可以满足工程上对波束扫描的要求。

图 5 仿真的阵列模型

图6 阵中单元有源驻波比

图 7 各端口的隔离度（S21）曲线

图 8 阵中单元幅度方向图

4.加工试验结果

将仿真模型进行实物加工，并对单元及阵列特性进行了测试。从测试结果看天线单元的有源电压驻波比与仿真结果较为吻合。由于加工精度等误差影响，实测结果比仿真结果略差，但大部分单元有源电压驻波比小于2.0:1，仍可满足工程应用需要，测试结果如图9、图10、图11所示。单元有源电压驻波比在波束从法向扫描到45°均小于3.0:1。

图 8 波导辐射器相控阵天线

图 9 阵列单元有源驻波比的测试结果（法向）

图 10 阵列单元有源驻波比的测试结果（扫描30度）

图 11阵列单元有源驻波比的测试结果（扫描45度）

在微波暗室内，等高假设发射天线及待测天线，旋转天线转台获得阵列单元幅度方向图。除待测单元外的其他单元连接匹配负载。将阵列单元全部测试完成后，通过理论计算获得阵列合成方向图（如图12）。从测试结果看，波束扫描45°，增益下降约为2dB。

图 12 方位面波束扫描测试图

结语

本文通过采用介质加载的方式实现了圆波导阵列的二维波束扫描。所设计的天线在K频段具有良好的有源匹配和辐射特性，在卫星通信、雷达以及电子对抗等领域具有较高的工程使用价值。