一种Ka波段宽带高增益圆极化通信天线设计

摘 要

本文设计了一种应用于通信领域的宽带高增益圆极化喇叭天线。通过将喇叭天线与宽带凹槽圆极化器相结合设计了一种宽带圆极化喇叭天线。文中详细的论述了双模喇叭和圆极化器的设计思路和工作原理，并给出HFSS仿真结果。结果表明：该天线具有7%的阻抗带宽，在±8.7°范围内轴比小于1.5dB。天线具有结构紧凑、轴比性能好、频带宽等优点。

【关键词】圆极化 宽带 高增益 轴比

1 引言

随着通信、遥控、遥测技术的快速发展，线极化已很难满足要求。圆极化天线由于可以接收任意极化的来波，同时圆极化天线辐射出去的电磁波也可以由任意极化形式的天线收到，因此近年来圆极化天线应用越来越广泛。

本文设计了一种双模喇叭与腔体凹槽型圆极化器相结合的宽带高增益的圆极化喇叭天线。凹槽型圆极化器的原理是在圆波导金属壁上开一些凹槽，通过调整凹槽的间距、长度、宽度、高度，使圆极化器输入端的TE10模或TE11模信号经过凹槽之后，在输出端口产生2个正交的电场，并且相位相差+90°或者-90°。通过将这种圆极化器与喇叭天线旋转+45°或者-45°即可形成左旋或者右旋圆极化天线。通过HFSS对天线单元结构进行优化仿真。仿真结果表明天线的驻波带宽小于1.2（19.7GHz-21.2GHz），天线方向图法向轴比在±8.7°范围内小于1.5dB，天线单元增益大于14dB。因此该天线可以作为一些小角度高增益天线阵列的天线单元。

2 圆极化辐射单元设计

天线结构如图1所示，整个天线结构分为4个部分。第1部分为标准矩形波导段、第2部分为矩圆波导变换段、第3部分为圆极化器波导段、第4个部分为双模喇叭天线。

双模圆锥喇叭的物理机理如下：圆波导的主模是TE11模。通常，由于主模为TE11模的喇叭的E面方向图比H面方向图窄，形不成旋转轴对称的辐射方向图，其峰值交叉极化电平也必然高。因此一般说来主模馈源是一种低效率馈源。如果在主模馈源中引入产生高次模的装置，而且合适地配置高次模与主模的相对相位，充分利用不同高次模的不同特性，就有可能对馈源系统获得很好的性能从而提高整个天线的效率。正是基于这个想法，本文选择双模喇叭作为天线辐射单元。

图1给出了圆极化器和双模喇叭天线的结构示意图。详细尺寸见表1和表2所示。仿真结果如图2所示。可以看出喇叭天线在整个工作带宽（19.7GHz-21.2GHz）范围内，驻波小于1.2、增益大于17dB、轴比在±8.7°范围内小于1.5dB。

3 结论

本文设计了一种可用于小角度扫描的星载相控阵天线单元。仿真结果表明天线具有7%的阻抗带宽，在最大方向上，整个工作带宽范围内天线单元的增益大于17dB，轴比在±8.7°范围内小于1.5dB。而且整个天线单元包括馈电网络都是金属波导结构，因此，天线单元具有低损耗特性。适合用于小角度扫描的星载相控阵天线。

参考文献

[1]商锋，王保平.GPS圆极化微带天线的研究[J].弹箭与自导学报，2009，29（3）：193-194+198.

[2]胡明春，杜小辉，李建新.宽带宽角圆极化贴片天线的实验研究[J].电子学报，2002，30（12）：1888-1890.

[3]项阳，钱祖平，赵守俊等.一种宽带圆极化微带天线阵的设计与制作[J].电波科学学报，2008，23（3）：565-571.

作者单位

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088