波导阵列天线学习笔记5 工作在K/Ka频带上的紧凑的共口径双频双圆极化波导天线阵列

摘要:

在本文中，一种紧凑的共口径双频双圆极化天线阵列被提出在K/Ka频段的全双工卫星通信中来实现高增益和宽带宽。所设计的天线阵列可以同时在20GHz频带实现右旋圆极化辐射同时在30GHz频带实现左旋圆极化辐射。此阵列包括圆极化波导天线单元和全公司馈网。脊频谱极化器被插入在方波导中来在阶梯波导天线单元内实现圆极化辐射。顺序旋转馈网被用在馈网中来进一步提高圆极化轴比性能和轴比带宽。所提出的4x4天线阵列的样品被生产制造来用于验证。实测结果显示关于反射系数低于-10dB和周迪低于2dBd的重叠带框在K频段的RHCP辐射为18-22GHz同时在Ka频段对于LHCP辐射为28-32GHz。实测的交叉极化水平在20GHz处优于25.82dB同时在30GHz处优于20.25dB。并且在K/Ka频段的实测峰值增益分别为23.94dBic和26.87dBic。

索引词：

双频带，双圆极化，左旋圆极化，右旋圆极化，顺序旋转馈网，共口径。

简介：

有关卫星通信，全双工系统是实现独立收发信道的关键需求，在上行和下行的圆极化多样性可以增强接收机和发射机之间的隔离度。例如，在K/Ka频带，在20GHz频带的下行和在30GHz频带的上行可以分别实现右旋圆极化辐射和左旋圆极化辐射。因此，双频双圆极化天线，可以同时在不同的频带实现不同的圆极化辐射，在卫星通信系统中是具有实际需求的应用，其用来减小天线的数量并提高抗干扰能力。

在近些年内，许多对于双频双圆极化天线的研究被报道了，包含微带贴片阵列天线，槽阵列天线，基于超表面的反射阵列天线等等。超材料，特别是频率选择材料，并用在反射阵列天线上来实现双圆极化辐射，其关键设计议题和难点是独立相位调控，反射阵天线的激励源来自于额外的圆极化馈电喇叭天线生成的反射波。双频双圆极化贴片天线通常需要两个独立的贴片，其以独立相反的极化工作在不同的频带上。用于不同频带的贴片被堆叠在多层介质上或者分布在单层上。与单层贴片的结构配置相比，多层贴片阵列天线能够节省空间并实现小型化，但是它的制造有点复杂。此外1，这些双频双圆极化天线和槽阵列天线通常由微带线馈电，这就很同一实现馈网的配置。然而，贴片天线中馈线的传输损耗，基片的介电损耗和和表面波效应，随着工作频带的持续增益变得更为严峻。尽管基片集成波导馈网可以被用于减小馈线损耗，贴片天线阵列的增益仍然被限制，特别是在毫米波段。与此同时，两个工作频带之间的信道隔离将会减小因为互耦效应在毫米波段的应用变得更加明显。

在[11]中，提出了一种2x2的磁电偶极子阵列天线来在K/Ka频段实现双频双圆极化辐射。这两种互连的贴片被堆叠在多层基片种并且由打印的有着低传输损耗的脊间隙波导馈网馈电。带有金属传输通孔和顶部金属微带的圆柱形腔体被模型化来抑制表面波效应。实测的重叠带宽，同时覆盖了-10dB的阻抗带宽和3dB轴比的带宽在K/Ka频段为19.4-20.4GHz和29.5-30.9GHz，并且此磁电偶极子天线阵列的对应增益分别为13.2dBic和11.5dBic。近来，一种基于FSS的双频双圆极化旋转分离反射阵列在[13]中提出。此反射阵可以独立工作在Ku/Ka频带实现右旋圆极化辐射和左旋圆极化辐射，在此一种双层的FSS结构被用于抑制两个频带之间的互耦。实测的在12.45GHz处的左旋圆极化辐射和右旋圆极化辐射的交叉极化分别为16.5dB和18.5dB，同时对应在30GHz的结果分别为21dB和22.5dB。

考虑到波导结构的高效率，隔离度和机械强度，波导天线阵列是在卫星通信系统中实现双频双圆极化辐射特性的合理结局方案。在此有很多工作在K/Ka频段的双频双圆极化波导阵列天线。在波导天线中，脊频谱极化器通常被插入到方波导中来实现圆极化辐射。馈网包括两种类型的：传统的和顺序旋转类型的。传统的馈网很容易实现而顺序旋转的馈网可以提高圆极化阵列天线的轴比性能。

在本文中，提出了一种工作在K/Ka频带的用于卫星通信系统的高增益和宽频带的紧凑的共口径的双频双圆极化波导天线阵列。此双圆极化天线单元由波导喇叭内插入一个五阶的脊极化器设计，其可以将部分TE10模式转换为TE01模式来实现圆极化辐射。两组顺序旋转波导馈网交织在一个紧凑结构设计中来节省物理空间并进一步提高AR性能。为了证明辐射性能。生产并测试了一种4x4天线阵列样品。详细的设计和实测结果将在以下部分呈现。

天线单元设计与分析

在所提出的天线阵列中，此双圆极化波导天线单元被设计为基本的辐射单元，其有着两个输入端口来激励两个独立的圆极化辐射波。

A.双圆极化天线单元

如图1所示，带有几何尺寸的双端口双圆极化天线的结构被以不同视角示出。此双圆极化天线单元包含一个四阶的过渡段波导辐射腔体，一个带有脊膜片极化器的方馈电波导。为了阐述方便，整个结构沿着z轴被分为5个部分，辐射口径，腔体I,腔体II,腔体III和馈电方波导，并且每部分的爆炸视图如图1(c)所示。考虑到制造过程和成本，在边角处导了圆角并且半径被设为1mm。设计的双端口双圆极化天线单元的优化的几何参数列在表I中。详细的参数分析将在以下部分讨论。

优于辐射单元口径的尺寸（例如，在过渡段阶梯腔体中的最上层）为 $w_{l} = 17.7mm$ ,其在工作频带内大于一个波长（Ka频带的30GHz对应10mm并且K频带的20GHz对应15mm）,其将会在天线阵列的辐射方向图上造成栅瓣现象，在阶梯过渡辐射腔体的第一层，引入并模型化了边角的阶梯调谐柱用来抑制出现的栅瓣。当边角调谐柱被放置在辐射腔体中，辐射单元的等效尺寸将小于实际尺寸，并且在辐射口径处的电场分布将更统一。详细的分析和解释在我们之前的工作引用（[19]，第二部分.B）此外，其他的阶梯腔体（腔体I,II,III）被引入在波导喇叭结构中用于阻抗匹配和拓宽带宽。

B.工作原理和参数分析

为了实现天线单元的双圆极化特性，一种脊膜片圆极化器被插入到方波导中，其可以把部分的TE10模式转换为TE01模式，通过调整膜片的尺寸可以使两个恶化的模式达到90度相位差。因此，天线单元的输出双圆极化辐射波由两个输入端口生成，其分别用于给右旋圆极化波和左旋圆极化波馈电，为了说明右旋圆极化辐射和左旋圆极化的辐射，在此圆极化天线单元上的顶层口径的一个周期内的电场分布如图2所示。可以看到在20GHz处的一个周期内的电场矢量沿着逆时针方向变化，这将生成右旋圆极化波。相似地，在30GHz处的一个周期内的电场矢量沿着顺时针方向变化，这将生成左旋圆极化波，可以从图2(b)中观察到。

在双圆极化天线单元中，脊圆极化器设计是一个关键因素。两个衰减模式的能量分配比将由膜片圆极化器的调整控制。也就是说，所设计的双圆极化天线单元的轴比性能由插入的脊圆极化器尺寸影响。

为了说明阶梯脊尺寸的影响，仿真的轴比结果如图3和图4示意，其对应着变量rw5和rh5的参数分析（第五级的宽度和高度如图1(b)所示）。可以看到，在Ka频带内的轴比性能对于rw5和rh5的值更加敏感。因此，rw5和rh5在双圆极化天线单元的设计中被分别设为4.66mm和2.69mm。其他阶梯级的宽度和高度尺寸由迭代优化所获得来使得轴比性能尽量好。最终设计的脊膜片极化器有着5个阶梯级，并且详细的尺寸被分别给在图1和表I.

此外，考虑到带有不同形状的双圆极化天线设计，相同高度的线性和阶梯脊的几何尺寸如图5所示。对于线性和阶梯脊设计的轴比性能的比较如图6所示。可以观察到带有五级脊设计的双圆极化天线单元在Ka频带有着更好的轴比性能。

天线阵列设计

A.阵列结构

基于前文的双圆极化天线单元，一种4x4的波导天线阵列被设计来实现双频双圆极化功能。所提出的4x4天线阵列的3D分布结构如图7所示。此天线阵列包括上层的双圆极化天线单元和下层的波导馈网。在所设计的天线阵列中，天线单元的两个输入端口独立地被两组全公司顺序旋转波导馈网馈电。

B.顺序旋转波导馈网

对于所提出的天线阵列的顺序旋转波导馈网的结构如图8所示。两组馈网包括四路功分器和顺序旋转馈电端口，其能提供具有合适幅度和相差的期望输出。在20GHz频带上的右旋圆极化波辐射由如8（e）所示沿着逆时针的上层馈网馈电同时在30GHz频带上的左旋圆极化波辐射由如8（f）所示沿着顺时针的下层馈网馈电。所提出的双频带天线阵列的馈网镶嵌在一个紧凑结构中并且两个输入端口被放置在馈网中心，这可以节省物理空间。

此全公司波导馈网被分析来说明其性能。如图8（e,f）定义，端口1和端口2分别是低频的右旋圆极化辐射输入端口和高频的左旋圆极化辐射输入端口。如图9所示，在低频（18-22GHz）和高频(28-32GHz)。

圆极化天线阵列的轴比受到馈网的幅度和相位输出影响。为了考虑馈网在低频和高频的输出参数，一些输出端口（分别在低频带的3,4,5,6端口和在高频的7,8,9,10端口），被标记在馈网中，如图8所示。在20GHz频带和30GHz频带内顺序旋转波导馈网的输出端口的仿真幅度结果在图10中示意，结果显示每个端口的幅度约等于-12dB。如图11所示，在波导馈网中相邻输出端口之间的相差沿着顺时针或者逆时针顺序旋转方向约为90度。从图10和图11中的曲线，可以观察到幅度差异的波动很明显。因为轴比对相位差比幅度差更为明显，此浮动的幅度差对于此圆极化天线阵列的轴比性能有着很小的影响。

此外，此设计的天线单元也是圆极化辐射，因此所提出的天线阵列将用顺序旋转技术以一种第二顺序的方式进一步纯化。在接下来的部分，可以看到所涉及的双频双圆极化阵列天线的轴比性能将是一个卓越的工作。

实测结果和讨论

所设计的双频双圆极化波导天线阵列由使用铝的金属精密加工制造。考虑到实际的机械加工过程和成本，整个天线阵列结构被分为7层（如图7所示），其被独立地机械导角并用数以百计的销钉共同装配。两个波导到SMA过渡段探针被用于在工作频带的实测方便。所生产的天线阵列的照片图12所示，并且样品的尺寸为85mmx85mmx70mm。在实测中，在20GHz频带和30GHz频带的天线阵列的反射系数由矢量网络分析仪测量。并且远场辐射性能在微波暗室中测试，并且实测步骤如图12(b)所示。

所提出的双频双圆极化天线阵列的实测反射系数和隔离在图13和图14中给出。可以看到实测的结果与对应的仿真结果吻合良好。实测的反射系数低于-10dB的带宽在20GHz频带和30GHz频带分别为18-22GHz和28-32GHz。如图14所示，实测的端口隔离度在前文所提到的两个频带内分别优于43.1dB和36.2dB。此优秀的隔离度是因为两个独立的全公司波导馈网。

如图15所示，所提出的双频双圆极化天线阵列的实测和仿真轴比彼此之间吻合良好。可以看到实测的轴比在20GHz频带和30GHz频带上分别低于1.04dB和1.24dB。所设计的天线阵列在两个频带内工作有着很高的轴比性能，这是由于圆极化天线单元和馈网的顺序旋转技术的同时作用。

此外，实测了在20GHz频带的右旋圆极化辐射的增益和在30GHz频带的左旋圆极化辐射，如图16所示，实测结果与仿真结果吻合良好。在K/Ka频带内的实测峰值增益分别为23.94dBic和26.87dBic。由于高频下辐射孔径的相对尺寸比工作波长更大，在Ka增益越大。实测和仿真结果之间的差异可能来自于制造容差和在相邻上层之间引入的可能的空气间隙。此外，口径效率由以下公式估计：

$\eta_{AE} = \frac{G \lambda_{0}^{2}}{4 \pi A} \times 100\%$

其中 $\lambda_{0}$ 是自由空间波长，并且A是天线口径（85mm x 85mm）.所提出的天线的口径效率在20GHz和30GHz分别为61.4%和53.6%。在生产的天线样品，所使用的双边（bilateral）销钉(M5)占用了约11mm的长度（如图12(a)所示）。如果使用更小的销钉或者先进的铜镀焊接（braze welding）过程，可以进一步提高口径效率。

此外，在20GHz和30GHz处的xoz面和yoz面的归一化辐射方向图如图17所示。实测结果与仿真结果几乎一致。可以看到在20GHz处的右旋圆极化辐射和在30GHz处的左旋圆极化可以以良好的性能实现。实测的方向图内的副瓣电平低于-12dB。从图17中可以观察到，在xoz面和yoz面上的实测交叉极化水平分别在20GHz处优于25.82dB和33.79dB,在30GHz处优于22.31dB和20.25dB。

为了比较所提出的天线阵列与其他的双频双圆极化天线阵列，一个易于理解的总结被列在表II。可以看到所提出的波导阵列天线实现了高增益和高口径效率。此外，特别比较了在[11]中的双频双圆极化天线，其工作在与我们一样的频带，但我们所提出的天线阵列有着更高的增益和更宽的带宽。

结论

在本文中，提出了一种高增益和宽频带的辐射的共口径双频双圆极化天线阵列。此双圆极化波导阵列天线单元与全公司馈网集成在一起来实现双频双圆极化特性，其在20GHz频带和30GHz频带分别是右旋圆极化辐射和左旋圆极化辐射。顺序旋转馈网技术被用在波导馈网中来提高轴比性能和带宽。所提出的天线阵列的样品被制造和实测来证实其辐射性能。实测的有关反射系数低于-10dB和轴比低于-2dB的重叠带宽在K频段用于右旋圆极化辐射的为18-22GHz，在Ka频段用于左旋圆极化的为28-32GHz。在K/Ka频带的实测峰值增益分别为23.94dBic和26.87dBic。在18-22GHz和28-32GHz的工作频带内覆盖卫星通信的上行和下行。所提出的紧凑的双频双圆极化天线阵列在K/Ka频带的全双工通信系统中有着潜在的应用前景。