Ku / Ka雙頻共孔徑微帶陣列天線設計方案解析

　1 引言
　　隨著星載雷達系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對天線性能的要求也不斷提高，星載天線的雙頻雙極化（DFDP）已是發(fā)展的趨勢所在。Pozar指出， 未來天基雷達系統(tǒng)將要求其天線子系統(tǒng)具備上述性能的同時且采用共孔徑結構，這使得對DFDP共孔徑天線的需求日趨緊迫。在公開文獻中，已有多種形式的DFDP共孔徑微帶天線研究成果報道。都運用了在工作于低頻段的方形貼片上開孔的方法，將工作于高頻段的方形貼片天線置于低頻段開孔處下方，分別構成了L/C 雙頻段和L/X 雙頻段的共孔徑DFDP 微帶陣列。給出了微帶貼片天線和印刷縫隙天線交錯放置形成的一個C/ X雙頻段共孔徑DFDP微帶陣列;給出了交錯放置的微帶貼片天線和印刷偶極子形成的一個S/ X雙頻段共孔徑DFDP微帶陣列。和中所采用的交錯放置結構能適合更一般的頻率比。本文提出的共孔徑天線由Ku頻段十字形微帶縫隙和Ka頻段方形微帶貼片組成。Ku頻段十字縫隙置于Ka頻段貼片單元的下方空隙處，縫隙長度可以調節(jié)，因此能適用于一定范圍的頻率比。下文將詳細介紹這種天線的設計、結構和仿真結果，以及設計中遇到的問題和解決辦法。
　　2 DFDP天線設計
　　拋物柱形反射面天線的性能對饋源的位置十分敏感，若雙頻段饋源其中一個偏離拋物柱反射面的焦線，難以做到兩個頻段天線的波束指向一致。將兩個頻段的天線共孔徑放置，便可解決這一問題，因此需要找到合適的結構將兩個頻段天線整合在同一套結構中。本文提出的天線結構如圖1所示，兩個頻段的天線在不同層共孔徑放置，上層的貼片不遮擋下層的十字縫且須相隔一定距離。兩個頻段天線共孔徑放置將會相互影響，為了避免這種影響使方向圖的對稱性變差，設計中Ku頻段十字縫隙和Ka頻段微帶貼片的分布須遵照圖1（b）所示的對稱原則。圖中十字縫隙和微帶貼片均關于X軸對稱分布，左、右十字縫隙恰好對應放置在左、右四個貼片的中央。
　　
　　（a） 側視圖
　　
　?。╞） 俯視圖
　　圖1 Ku/Ka DFDP共孔徑微帶饋源單元
　　共孔徑天線在Ku和Ka頻段中心頻率分別為13.6GHz和35.5 GHz。天線主波束沿著反射面軸向 （圖1（b）中X方向）需要掃描，掃描角范圍為，該方向的每個陣元均獨立饋電以進行幅相加權。根據(jù)陣列天線基本理論，在Ku和Ka頻段避免柵瓣的陣元間距分別為： =17mm， =6.53mm， 綜合考慮一定工作帶寬和結構嵌套后選取的陣元間距為：=13mm， =6.5mm。因Ka頻段所選取的陣元間距很小，致使雙極化的饋電網(wǎng)絡無法布下，Ka頻段目前只實現(xiàn)單極化。在垂直于反射面焦軸的方向上，Ku波段陣元由兩個十字縫隙組成，Ka波段陣元由四個微帶貼片組成。考慮到高頻段加工誤差對天線性能的影響非常明顯，暫時未采用可實現(xiàn)寬帶的多層結構。
　　圖1（b）中，Ku頻段縫隙天線沿X和Y指向的縫隙遠區(qū)輻射場分別為水平和垂直極化。Ku頻段陣元采用倒置微帶線饋電，饋電網(wǎng)絡位于開槽金屬面下方降低了饋線的寄生輻射。水平極化饋電網(wǎng)絡運用了倒相饋電技術［5］，圖中一分二功分網(wǎng)絡總口到兩個分端口的波程相差（為介質波長）。
　　由于Ku頻段水平極化饋電網(wǎng)絡不對稱，導致在一個陣元的水平上無法實現(xiàn)該極化遠場方向圖的對稱，因此必須在陣元之間找到一種合理的排列［5］，使方向圖對稱和提高交叉極化電平。對各種排列方式的仿真結果表明圖2（a）所示的排列方式方向圖對稱性好且交叉極化電平較低。同樣對Ka頻段各種排列方式進行仿真后發(fā)現(xiàn)，圖2