Ka 波段圆极化平板阵列天线设计

杨彦炯

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

圆极化天线[1]因具有良好的抗多径衰减特性与极化匹配特性而被广泛应用于卫星通讯领域。高机动平台卫星通讯天线需具有高效率、低剖面、小型化、高增益等特性。反射面天线剖面高，不适用于高机动平台；微带天线在毫米波波段效率低下；平板阵列天线[2-6]因其剖面低、高效率、幅相易控制等特点得以广泛应用。

1 工作原理

本文设计一种阵列规模为8×8的Ka波段圆极化平板阵列天线，图1为结构示意图。

图1 Ka波段圆极化阵列天线结构示意图

阵列共划分为四层，分别为辐射缝隙层、谐振腔体层、波导圆极化器层、馈电网络层。阵列由16个2×2子阵组成，如图2所示，调整缝隙参数a、b以及谐振腔尺寸使其在非常宽的带宽内有良好的阻抗匹配特性。

每个子阵由带有圆极化器的方波导馈电，如图3所示，port1与port2两个端口分别输入可形成两个不同旋向的圆极化特性。调整方波导中的极化膜片参数h0、l0、h1、l1、h2、l2、h3、l3优化圆极化特性。在本设计天线中仅使用一个馈电端口，另一个端口用金属块直接短路。

图2 2×2线极化子阵示意图

图3 方波导圆极化器

图4 为E面波导1分16等幅同相功分网络，优化其各参数得到接近理想的幅相分布。工作时，电磁波经由馈电网络层、波导圆极化器层、谐振腔体层最后至辐射缝隙层向自由空间辐射电磁能量。

图4 E面波导等幅同相功分网络

2 仿真设计

在29.4GHz～31.0GHz的工作频带内对图1中天线整体模型进行优化设计，图5为驻波仿真曲线，图6～图11为方向图与轴比仿真曲线，可见工作频带内驻波小于1.9，轴比小于3，增益大于25.4dB。电性能其他参数仿真结果见表1。

表1 平板阵列天线仿真结果

图5 阵列天线驻波仿真曲线

图6 29.4GHz仿真方向图

图7 30.2GHz仿真方向图

图8 31GHz仿真方向图

图9 29.4GHz仿真轴比

图10 30.2GHz仿真轴比

图11 31GHz仿真轴比

3 实物测试

对优化设计后的天线进行加工实物（图12）并测试其电性能特性，天线尺寸为66mm×66mm×35mm。图13为驻波测试曲线，工作频带最大约1.9，与仿真结果较吻合。

图12 Ka波段圆极化平板天线实物

图13 驻波测试曲线

图14 ~图19为天线方向图与轴比测试曲线。可见，天线副瓣电平、波束宽度、轴比等电性能参数均与仿真结果吻合。实测增益大于25.6dB，其余电性能参数实测值见表2。

图14 29.4GHz实测方向图

图15 30.2GHz实测方向图

图16 31GHz实测方向图

图17 29.4GHz实测轴比

图18 30.2GHz实测轴比

图19 31GHz实测轴比

表2 平板阵列天线实测结果

4 结论

本文针对高机动平台背景的Ka波段卫星通讯天线特点，设计了一个具有高增益、低剖面的圆极化平板阵列天线。通过对整体天线的分层设计，并对整体模型进行优化设计。在实际应用中，可将该设计阵列进行排列组合，得到满足口径要求与增益要求的Ka波段卫通圆极化天线。

参考文献：

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