间隙波导阵列天线学习笔记2 使用加载脊U型辐射层的一种Ka波段高效率圆极化卫星天线的发展

摘要：

本文提出了一种低剖面，高增益背腔槽阵列天线，基于RGW技术，工作在Ka频段。天线阵列包含两层。上层是一个U型槽阵列，在金属脊上腔体的位置上方，同时下层是RGW公共分布网络，给每个背腔槽等辐同相地独立馈电。所提出的阵列天线在27.5-30GHz(8.6%)的范围内辐射圆极化波。在28.75GHz的中心频率处，宽边方向的峰值增益为27dBi并且第一副瓣电平低于-13dB。所提出的8x8单元阵列天线的整体尺寸为 $6.7\lambda_0 \times 6.5\lambda_0 \times 1.4 \lambda_0$ 。

索引词：

圆极化，高效率，高增益，Ka波段天线，RGW技术，卫星通信。

引言：

近些年，无线通信产业有着显著优势，特别是在Ka波段范围(26.5GHz-40GHz)，优势于其支持高速数据传输和足够的(ample)带，对于全球的地面(tettestrial)和非地面(nonterrestrial)网络的演化。在卫星通信天线中实现圆极化很重要，增强了缓解(mitigate)浮动和干扰的信号稳定性。圆极化显著地提升(boost)了数据传输的稳定性和效率，在复杂环境中非常关键，使得其对于卫星通信非常关键，尤其在Ka波段。

许多工程技术被用于生成圆极化，包括环状天线和螺旋天线，波导圆极化转换器和传统的阵列单元，每个都有独特的优点和考虑。尽管微带圆极化天线在紧凑性上很有优势并且易于集成，螺旋天线有着提升的圆极化带宽。但是，向减少的辐射效率和设计复杂性之类的挑战，基于指定的应用需要小心选择。

基于反射阵列和传统波导的圆极化天线被广泛研究用于高增益和宽带设计，每个都有着独特的优势和挑战。例如，反射阵，在毫米波频段需要关注效率，同时基于波导的圆极化天线则面临着加工复杂性和成本的挑战。

脊间隙波导技术是毫米波应用的一个有前景的选择，有效解决了例如表面波和基片损耗的问题。使用间隙波导结构是优于其本质的优点，能提升RF系统的性能，加工的多功能性，并与其他RF器件集成，对于无线通信系统的效率和可靠性有显著贡献。

本文引入了一种用于Ka波段的新型U型圆极化RGW阵列天线。其有着适用于GEO应用的固定波束方向图，和适用于GEO应用的紧凑设计，包括在低空轨道应用的追踪场景。本文将理解性地给出工作原理和性能分析，从一个简单单元，到2x2阵列，最终拓展为8x8阵列结构。所提出的天线的主要创新性是包含一个有骨状槽激励的脊加载腔体的U型槽结构的新型紧凑辐射单元，实现了良好的S11和轴比带宽。这个紧凑的U型槽保证了其可以使用在一个紧凑平面阵列结构中以低成本的代价实现高效率和高增益天线。此外，此设计还有紧凑圆极化天线的特点，其辐射单元间距为 $0.8 \lambda_0$ ，并且由一个公共馈网独立馈电。这个设置保证了良好的反射系数，轴比，并实现了更低的副瓣电平，否则使用一个简单波导馈网实现是很困难的。

馈网的详细演化和与已存在方案的比较分析将实现，结论将在第五部分得出。

第二部分单元和子阵列的设计

如图1所示，U型辐射单元由[19],[20]和[21]中的工作启发，有着几个优点。其结构支持有效的圆极化，其紧凑的尺寸保证了在限制空间环境中的应用并且其布局保证了用于阻抗匹配的更宽带宽。

此外，U型单元简化了天线馈电激励，其减少了加工复杂度和成本同时提升了可靠性。总的，这些特性使得U型天线高度适用于性能和效率非常重要的下一代卫星应用。天线设计包含一个短脊，其由中间层相邻于它的一个骨型耦合槽激励。这由一个在顶层的U型辐射槽叠加。策略性地在中间层的U型槽周围放置周期性销钉来形成腔体，这对于建立阻带并在U型辐射单元下面创建一个虚拟腔很关键。在天线背部加载脊起到了很关键的作用，保证了在z方向的集中辐射。

使用骨型耦合槽的一个优势是其可以允许一个底部的馈网而不是一个边馈腔体。之后，平面阵列可以通过使用这种新型U型单元实现，其中[19]中的边馈只应用于线性阵列。此外，这种配置提供了一种比[19]更紧凑和简化的结构来实现更高的增益。另一个设计的关键的关键特点是在腔体层通过引入面向馈槽的短脊引入的非对称性，其是腔体内电场的两个分量Ex和Ex有着接近相同的幅值和90度的相位差。在此Ex和Ey分别参考x和y方向的电场。通过激励如图1所示的腔体，可以实现RHCP。图2显示了当耦合槽被激励时U型槽内不同相位的电场分布。

许多耦合槽结构被使用来优化设计，平衡了紧凑型和恰当的截止频率。使用了三个不同槽形状：矩形，蝴蝶型，和骨型，如图3(e)-(g)所示。这些设计由阻抗匹配能力，紧凑型和对于阵列整体性能的影响而评估。

当证明了良好阻抗匹配时，矩形槽有着比蝴蝶型和骨型更大的长度。因此，从槽的末端到馈网脊的距离很小，如图3(a)中的区域X所示，造成了它们之间的强互耦并造成了2x2子阵列不平衡的电场分布，导致了如图3(b)所示的失真辐射方向图。通过把矩形槽换为骨型槽，从槽末端到区域X的馈网的距离提升了很多由于骨型槽的紧凑性，并且因此在它们之间有着更低的互耦，2x2子阵列更好的电场分布和因此更好的辐射方向图。(见图3(c)和(d))。

通过比较耦合槽的长度，骨型槽有着最短的长度，允许其使用在紧凑的2x2子阵列中来获得良好的辐射性能。

2x2子阵列腔体的最终优化设计如图1(a)所示，并且对应S11和AR的结果如图4所示。实施了优化设计来保证关于阻抗匹配和圆极化纯度的最佳性能。最终的尺寸和设计参数如图1所示。

第三部分天线阵列和功分配置

本研究使用了一个8x8单元阵列来验证所提出设计应用于高增益天线的拓展性。单元的间距为 $0.8\lambda_0$ 来保证带宽内没有栅瓣。一个64路功分被设计来完成整个天线结构。功分器包含了T型结和H型结并且分别激励每个背腔U型槽单元来保证一个均匀的功率分布，实现一个统一的辐射方向图。

子阵列和阵列的完整结构如图1(a)和(b)所示。每个T型结都用一个紧凑配置设计来优化空间，同时脊高度在指定区域变化来提升阻抗匹配。通过增加脊的高度，波导的特性阻抗被调整来更好地匹配输入和输出阻抗。这将帮助减少信号反射并提升器件之间的功率传输，实现馈网的整体性能提升。此技术对于保持馈电紧凑型和有效功分非常有用。

此外，由于匹配的电感特性，一种电容性器件被加入到第一输入线，如图5所示来补偿功分器的电容特性。功分器的整体尺寸被限制在紧凑的区域63.2mmx67.5mm。