波导阵列天线学习笔记6 用于K和Ka频段卫星通信的超宽带双圆极化波导阵列天线

摘要:

在本文中，设计了一种用于K和Ka双频段的宽带双圆极化波导天线阵列。一种多级方波导结构被利用（exploited）在辐射层内来实现双极化响应的激励。一种脊波导极化器被集成在内来实现左旋圆极化和右旋圆极化。为了馈网的更好设计，一种从E面波导到双脊波导的过渡段结构减少馈网的交叉截面区域。为了验证目标，设计，制造并实测了一个8x8的阵列天线样品。根据仿真和实测结果，阵列天线的轴比和阻抗带宽高于45%。双圆极化的输入反射系数和隔离在19-30GHz低于-15dB,在整个工作频带内整个天线效率达到了72%.对于两个极化，在19-30GHz上峰值增益在24.6和28.8dBi之间。

索引词：

双极化，圆极化，K和Ka频段，宽带天线，阵列天线

简介：

今天，由于其突出的优势，卫星通信已经参与到许多领域例如应急通信，全球长距离通信，和军事通信。随着全球通信设备的迅速发展，频谱资源稀少并拥挤。因此，提升系统信道通量和极化灵活性在下一代卫星通信中十分重要。特别地，对于K和Ka频带的宽带通信应用需求在稳定提升。这些卫星可以用于大数据交通和提供低的人口密度或者用于偏远地区。

在此有两种常用的方法用于结局卫星通信天线系统的难题。其一是用微带结构或者SIW结构来设计天线，其有着方便加工和灵活设计的优点，但有着高损耗和低效率的问题；另一种主流解决方式是使用波导结构，其被考虑用于高效率天线阵列的设计，因为它们能无视介电损耗的问题。研究了几种使用用于卫星通信的波导器件全金属天线阵列的方法。通常的方法是使用OMT或者耦合器来实现正交的双圆极化。然而，在相对宽的带宽内很难实现稳定的相位差，并且同时在K和Ka频段满足它很有挑战性。共口径天线天线设计方案，在另一方面，可以允许多个频段的天线被放置在相同的辐射口径。然而，一些用于卫星通信的频率比由于天线拓扑限制不能得到满足。在[15]中，提出了两个正交结构波导槽阵列的设计方法。由于双重(tandem)馈网的长线效应其带宽相对较窄，并且其很难满足宽带需求。并且带有T形公共馈网的设计方案被使用了并且有着高剖面，这将造成体积冗余。使用带有H形公共馈网，来进一步降低剖面将是一个很好的选择。相较而言，带有OMT的高增益宽带喇叭可能是可替代的选择。

本工作旨在设计一个基于空心波导的宽带频率为19-32GHz的双圆极化天线阵列。首先，一种自然对称的结构被用在辐射层，旨在一个更好的双极化响应。辐射口径和脊波导极化器被联合在一起来实现一个2x2的双圆极化子阵列。最终，使用了两组小的十字截面区域馈网把子阵列扩展到了一个8x8的天线阵列。为了验证，此阵列天线用铝合金制造并且被实测来证明工作的可验证性。

天线设计结构和分析

在本工作中，一种双圆极化天线阵列的3D模型如图1(a)所示，并且相对每层的顶视图如图1(b)所示。为了生产的便利性，其包含三个部分：辐射层(M1-M2)，耦合层（M3-M），和全公共馈网层（左旋圆极化的馈网：M6；右旋圆极化的馈网：M7）。值得一提的是，馈网层在E面中心分裂，其将减少在随后的削减中的能量泄露）。在辐射层的方波导结构内部对称性下，两个正交极化能够通过引入合适的激励实现，此脊波导极化器可以由不同的腔体层馈电来实现左旋圆极化和右旋圆极化。与此同时，为了进一步小型化馈网的尺寸，使用了一个E面波导。带有一个过渡段的传统WR-34的波导在馈网的终端被用于实测。

接下来的部分将更详细地讨论，所有的仿真实验都是基于Ansoft HFSS。

A.子阵列

为了实现对天线阵列的分析并考虑最优尺寸值，2x2的天线子阵列如图2中被详细分析了。联合了辐射层和脊波导极化器实现了一个双圆极化子阵列。四个有着变化边长和厚度的阶梯堆成方波导腔体被联合为一个周期分布的2x2方形栅格。此方法获得了在辐射层宽阻抗匹配和高口径效率。为了获得更精确的结果，周期边界被用在仿真中。值得一提的是端口I和端口II是独立激励的。这意味着馈网功分的输入端口应该连续并且与单脊极化器的输入端口紧密连接。

如图2(b)，端口I(或端口II)是发射信道的输入端口。相似地，端口II(或端口I)是接受信道的输出端口。输入模式信号通过一个脊波导极化器被转换为RHCP(或者LHCP)信号并且这些圆极化在不同信道内是正交的。

在子阵列的两个端口之间的仿真反射系数和隔离度和圆极化子阵列的轴比如图3(a)所示。两个端口的反射系数都低于-20dB并且端口隔离度在19-30GHz频带内低于15dB(分数带宽：45%)。3dB轴比带宽也达到了相同的频带。图3(b)揭示了三个频带上的具有良好辐射性能的归一化方向图。在19,25,30GHz处的最初副瓣电平分别为-11，-14和-19dB。图4在2x2的示出了辐射部分和脊波导极化器在25GHz处的电场幅度。器显示TE10模式是怎样传输的。在图4(b)中的电场分布显示了单元有着圆极化特性和良好的端口隔离。

B.馈网

在设计了基本的2x2子阵列后，有必要设计两组宽带的全公共馈网（如图5所示）来装配整个最终的8x8阵列。4x4的子阵列独立地由两组包含E面波导功分的馈网激励。如图5（d）和（e）所示，分别激励右旋圆极化和左旋圆极化辐射。在图5(e)中最好的结构被用来实现波导馈源的放置。过渡段结构被设计用来更好地联合辐射部分和馈电部分，如图5（c）所示。在过渡结构中使用双脊波导是为了提升阻抗带宽并减少馈网的十字交叉截面区域。此后一个完整的馈网将由多个E面T型结级联而成，T型功分使用了模型C结构（图5(a)）。最终，为了实现方便测量的目标，每个馈网的输入端口都由WR-34标准波导过渡。E面空心波导到WR-34标准波导转换器和最终尺寸优化参数如图5(f)所示。

可以注意到类型A和类型B由模型A和模型B的最终一阶区分（如图6）：类型A由双脊波导的H面馈电；类型B由双脊波导的E面馈电。类型A和类型B功分的反射系数进一步由变化高度P和高度P'调整（其他尺寸优化参数如图5所示），如图6所示。当P = 7.7mm，P’ = 7.5mm时，它们分别能获得好的反射系数。

类型A功分在整个频带上显示了等辐同相响应，类型B功分也是，如图7所示。

实测结果

8x8的阵列天线可以用带有50微米制造容差的CNC机械加工技术实现并根据图1中的结构来更好地验证其有效性。之后使用了两个销钉来实现装配并用了36个不同尺寸的螺丝来用于装配并一致潜在的能量泄露。所装配的天线的天线尺寸为90x90x55立方毫米（口径尺寸为80x80平方毫米）。并且辐射性能使用了一个远场天线系统在微波暗室中测量。

如图8所示，照片显示了喇叭天线，装配天线，独立模块和远场天线测试环境。当其中一个端口被测试时，匹配负载被连接到另一个端口。由远场天线测试系统所得到的阵列天线的归一化辐射方向图如图9所示。结果显示主瓣和副瓣在xoy面和yoz面上很好地重叠了并且在19,25,30GHz吻合良好。轻微的差异可能是由于加工的容差和测量系统的准确度。在工作频带内，在19GHz和30GHz处的实测交叉极化隔离高达30dB，并且在xoz面和yoz面上的LHCP和RHCP的副瓣电平都在13dB附近。图10(a)和(b)显示了对于比较的LHCP和RHCP的仿真和实测仿真系数。在19-30GHz（分数带宽：45%）,实测的反射系数( $\left | S_{11} \right| and \left | S_{22} \right|$ )低于-15dB。如图10(c)和(d)所示，在19-30GHz处实测的隔离度优于15dB,并且轴比低于3dB。轴比带框优于45%(19-30GHz)。仿真结果和以上的实测结果关联的很好。图10页提供了一个 $\pm 20 \mu m$ 的制造容差的粗糙度对于反射系数，隔离度和轴比的估计。

此阵列天线的实测和仿真峰值增益和天线效率在图11中给出。峰值增益在所期望的频带内为24.6-28.8dBi。并且实测峰值增益和仿真值得差异在0.2到0.6dBi之间。细微的差别可能由制造容差和不正确的装配和不准确的实测精度造成，但是其仍在预期内。实测的总的天线效率和口径效率在19-30GHz上可高于72%和80%.