Ka 波段圓極化平板陣列天線設計

楊彥炯

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

圓極化天線[1]因具有良好的抗多徑衰減特性與極化匹配特性而被廣泛應用于衛星通訊領域。高機動平臺衛星通訊天線需具有高效率、低剖面、小型化、高增益等特性。反射面天線剖面高，不適用于高機動平臺；微帶天線在毫米波波段效率低下；平板陣列天線[2-6]因其剖面低、高效率、幅相易控制等特點得以廣泛應用。

1 工作原理

本文設計一種陣列規模為8×8的Ka波段圓極化平板陣列天線，圖1為結構示意圖。

圖1 Ka波段圓極化陣列天線結構示意圖

陣列共劃分為四層，分別為輻射縫隙層、諧振腔體層、波導圓極化器層、饋電網絡層。陣列由16個2×2子陣組成，如圖2所示，調整縫隙參數a、b以及諧振腔尺寸使其在非常寬的帶寬內有良好的阻抗匹配特性。

每個子陣由帶有圓極化器的方波導饋電，如圖3所示，port1與port2兩個端口分別輸入可形成兩個不同旋向的圓極化特性。調整方波導中的極化膜片參數h0、l0、h1、l1、h2、l2、h3、l3優化圓極化特性。在本設計天線中僅使用一個饋電端口，另一個端口用金屬塊直接短路。

圖2 2×2線極化子陣示意圖

圖3 方波導圓極化器

圖4 為E面波導1分16等幅同相功分網絡，優化其各參數得到接近理想的幅相分布。工作時，電磁波經由饋電網絡層、波導圓極化器層、諧振腔體層最后至輻射縫隙層向自由空間輻射電磁能量。

圖4 E面波導等幅同相功分網絡

2 仿真設計

在29.4GHz～31.0GHz的工作頻帶內對圖1中天線整體模型進行優化設計，圖5為駐波仿真曲線，圖6～圖11為方向圖與軸比仿真曲線，可見工作頻帶內駐波小于1.9，軸比小于3，增益大于25.4dB。電性能其他參數仿真結果見表1。

表1 平板陣列天線仿真結果

圖5 陣列天線駐波仿真曲線

圖6 29.4GHz仿真方向圖

圖7 30.2GHz仿真方向圖

圖8 31GHz仿真方向圖

圖9 29.4GHz仿真軸比

圖10 30.2GHz仿真軸比

圖11 31GHz仿真軸比

3 實物測試

對優化設計后的天線進行加工實物（圖12）并測試其電性能特性，天線尺寸為66mm×66mm×35mm。圖13為駐波測試曲線，工作頻帶最大約1.9，與仿真結果較吻合。

圖12 Ka波段圓極化平板天線實物

圖13 駐波測試曲線

圖14 ~圖19為天線方向圖與軸比測試曲線?？梢?，天線副瓣電平、波束寬度、軸比等電性能參數均與仿真結果吻合。實測增益大于25.6dB，其余電性能參數實測值見表2。

圖14 29.4GHz實測方向圖

圖15 30.2GHz實測方向圖

圖16 31GHz實測方向圖

圖17 29.4GHz實測軸比

圖18 30.2GHz實測軸比

圖19 31GHz實測軸比

表2 平板陣列天線實測結果

4 結論

本文針對高機動平臺背景的Ka波段衛星通訊天線特點，設計了一個具有高增益、低剖面的圓極化平板陣列天線。通過對整體天線的分層設計，并對整體模型進行優化設計。在實際應用中，可將該設計陣列進行排列組合，得到滿足口徑要求與增益要求的Ka波段衛通圓極化天線。

參考文獻：

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