波导阵列天线单元学习笔记7 一种用直接金属激光烧结考虑的轻质量，宽带，双圆极化波导腔体阵列

摘要：

提出了一种工作在Ku频段的轻质量，宽带，双圆极化波导腔体阵列。为了获得双正交的线极化，基本的辐射单元是由两个波导馈电的方形腔体。通过恰当地对馈网进行调谐，可以获得对于两个正交极化的等辐同相辐射电场，以实现一个16x16的双线极化阵列。一种宽带基于波导的混合耦合器倍集成到所提出的双线极化阵列来实现最终的双圆极化阵列。所提出的双圆极化阵列通过应用直接金属烧结方法来生产制造。其整体尺寸为288mmx288mmx52mm，并且其重量低于1.3kg。实测结果显示对于两个圆极化端口，此阵列显示了在12.25-14.5GHz的期望带宽（VSWR<2），并且其隔离度优于15dB。实测增益在29.5-32.4dBic范围内，同轴轴比在整个频带内优于4.5dB。对于左旋圆极化和右旋圆极化可以获得高于60%的总效率。

索引词：

双圆极化，轻质量，波导腔体阵列和极化追踪，宽带

简介：

双极化天线阵列提供了极化多样性来提高无线通信系统信道的容量。带有微带堆叠的天线阵列很火，这是由于其在设计中的灵活性，易于制造，轻质量和低剖面特性。然而，由于介电损耗，辐射和表面波损耗，微带阵列通常有着低于50%的效率。值得注意的是，在高频带，这些损耗更加严峻，并且此时阵列尺寸变大。在辐射单元中的表面波损耗可能通过使用腔体后面的贴片移除，并且馈线辐射可以由SIW网络来减小。然而，基片损耗不能避免，并且其由于介电材料的性质是固定的。

与微带天线阵列相比较，槽波导天线阵列有着几个优点例如高功率处理和低损耗，其对更大的阵列很关键。通过交织可以显示正交极化的子阵列的容量，一种双极化波导槽阵列能被设计，但，其拓扑需要一系列馈电结构，其会导致窄的方向图带框。相比之下，Wang已经报导了工作在60GHz一种线极化公共馈电波导的天线阵列，并且分别有着8%的宽带宽和80%d的良好效率。在[13]中的设计之后被延伸为在60GHz频带和120GHz频带的双极化波导槽阵列天线并使用了扩散连结，并且它们在两个极化端口显示了8%的带宽并在工作频带上效率高于70%。另一个工作在Ku频带的（由传统CNC加工）也在17中报道，其显示了17%的带宽(VSWR<2.0)并且效率大于70%。然而，一个完全结构到双线极化阵列是双圆极化阵列。尽管Takahasi和Gatti和Rossi已经实现了高效率的双圆极化辐射，它们也显示了窄带宽特性。

本文是[17]中结构的延伸，其是一个宽带双线极化阵列。为了成功地把双线极化阵列转换为双圆极化阵列，以下课题如下：1）一种有着良好辐相平衡的宽带3dB波导混合器(hybrid)被嵌入到双线极化阵列来设计。2)双线计划阵列的网络被改变以至可以实现统一的口径幅度分布（包括幅度和相位）；并且3)双线极化阵列的每个辐射单元被重新设计以至变化的双圆极化阵列可以实现良好的驻波比和隔离度。因此，在[17]中的谐振腔通过用阶梯腔体置换边壁来增强，并且在馈电层应用虹膜结构可以进一步地实现更好的阻抗匹配。尽管通过以上变化，栅瓣水平可能恶化，它可以通过在辐射腔体的边角处放置调谐柱来减轻(alleviated)。在这种情况下，条协助能显著提高在辐射口径处沿着主面的E面矢量的纯度，因此没有提升天线高度的同时抑制了栅瓣。

另一个与[17]的显著变化是所提出的双圆极化天线阵列是应用了DMLS技术生产的，DMLS是一种金属增材制造技术（或者通常称为3-D打印），并且其在微波器件和天线设计者中非常流行。在此情况下，因为所提出的双圆极化阵列设计十分复杂并且通过传统方法生产它很困难，DMLS被选为更被青睐的生产方法。请注意，使用DMLS并不是带来任何挑战，这是因为此设计的复杂度使得现有的DMLS达到了限制，所提出工作的详细设计和结果将在以下部分给出。

阵列结构的简要描述

图1（a）给出了所提出天线阵列的3-D视图。天线阵列是包含四层的多层结构，最上面一层（第四层）是辐射口径；由腔体组成并作为辐射单元，最上层有着总共为256(16x16)的辐射单元。层3是分别用于耦合腔和辐射腔之间，层1和层2之间过渡的阶梯，主办着天线阵列的馈网和90度混合器。如图1(b)所示，天线阵列由四个部分组成：天线单元，x极化辐射的馈网1(FN1)，y极化辐射的馈网2(FN2)和一个波导90度混合器来把双线极化阵列转换为双圆极化阵列。为了测试的目的。带有SMA连接器（SubMiniature version A）的波导到同轴转换器作为设计中的最终输出。

天线设计与分析

A.2x2 子阵列

在本设计，一个2x2的子阵列被用为基本的组成模块。图2显示了带有相关参数的2x2子阵列的结构。因为本文基于之前的设计[17]，它的2x2子阵列结构也在此示出。所做的提升包括：1）对于2x2的辐射腔体 $\textcircled{4}$ ，添加了边角阶梯来进一步提升电场分布，其抑制了栅瓣；2) 谐振腔 $\textcircled{3}$ 被改为过渡阶梯，这是为了更宽的带宽；并且3) 虹膜被应用在耦合腔 $\textcircled{2}$ 来实现阻抗匹配。最底层 $\textcircled{1}$ 与之前的设计相似。所提出的2x2子阵列的最优参数如图2所示并列在表I中。2x2子阵列单元之间的距离为36mm，比之前的工作大(27.5mm)，这是为了更宽的带宽和更好的匹配。

B.边角调谐柱对抑制栅瓣等级的作用

在[17]，可以发现基本的辐射单元有着相对高的栅瓣这是因为在辐射口径不一致的电场分布（幅度）。在此，这个问题变得比[17]中更为严峻，因为需要更大的单元间距来适应阶梯型过渡段，这个问题可以在每个辐射腔体的边角处放置调谐柱移除，如图3所示。作为比较，当端口1被激励时在2x2子阵列的辐射口径的电场（有或者没有边角调谐柱）如图3所示（在12.5和14.5GHz）。可以看到边角调谐柱以一种使得口径内基本辐射腔体更统一的方式调整了电场幅度。换句话说，有了边角的调谐柱，辐射腔体的等效栅格间距可被视为变得更小，与实际的x方向单元间距，但是它对y方向几乎没有影响。

图4给出了在12.5GHz/14.5GHz处2x2子阵列w/o边角调谐柱的仿真E面方向图。可以看到在副瓣产生的方向上其相对幅度能够从-9抑制到-16dBc,所以通过使用边角调谐柱可以实现7dB的栅瓣电平降低。

C.馈网

为了把2x2子阵列延伸为一个更大的天线阵列，使用了类似于[17]中的公共馈网。图5显示了馈网的几何尺寸和结构。如在第二部分引入一样，馈网2给y极化辐射单元馈电，并且馈网2被连接到一个180度弯头上，这使得它的输出端口在作为馈网1的同一层，馈网1被用来给x极化辐射单元馈电。参数dn1,dn2和dn3被用来调谐x极化和y极化辐射，以至两个正交线极化的辐射相位相同，因此允许和一个90度混合器易于集成。图5(c)和(d)分别显示了馈网1和馈网2的顶视图。

如图6显示了仿真的VSWR和相对增益随着频率的变化。如第一部分所提，为了把一个双线极化阵列转化为一个双圆极化阵列（通过把双线极化阵列集成一个90度的混合器），有利的是双线极化的VSWR尽可能低以至提高双圆极化的隔离度。这是因为线极化端口的反射将表现为交叉极化辐射，从90度混合器处耦合。在此，仿真结果显示双线极化端口设计在此频带上有着低于1.5的VSWRs.仿真实现的增益接近类似，这就意味着在两个线极化的口径处的幅度分布基本相等。为了保证良好的圆极化辐射，除了对两个线极化辐射的相同幅度辐射，对于没有混合起的天线阵列的两个线极化辐射的辐射相位也应该相同。图7显示了在宽边方向上当双线极化加上FN1和FN2并没有混合器被激励时在几个频带上的相位差，在两个正交线极化之间的相差整个频带内都低于12度。以上性质保证了双线极化天线阵列与合适的90度移相器转换为双圆极化天线阵列同时保证良好的性能。

D.宽带90度移相器

如上文所提，一种宽带3dB90度移相器被用于将双线极化阵列转换为双圆极化阵列。移相器的结构如图8所示。此宽带移相耦合器基于从矩形波导的宽壁上耦合。尽管Hadge耦合器有着更好的带宽，与最流行的RIblet耦合器[28]（窄壁耦合器），Hadge耦合器很难实现。然而，通过使用DMLS技术，此制造难题可以很容易解决，并Hadge耦合器很容易与双线极化阵列集成来实现双圆极化阵列。在本文中，Hadge耦合器被略微地调整（考虑了DMLS的优点）来提升性能。在此，通过DMLS，一个调谐好的（有着凹槽（notches）和虹膜）波导同轴过渡段很容易设计并集成到Hadge耦合器的输出。

图9显示了仿真的S参数并且图10显示了所提出的移相器的幅度和相位差。在整个带宽上仿真的反射系数低于-18dB并且隔离度低于-27dB。幅度差低于0.2dB,同时两个端口之间的相位差为 $90^\circ \pm 0.5^\circ$ .

实测结果

A.样品生产

如以上所提，所提出的天线阵列由DMLS生产。所生产的样品阵列如图11所示并且其尺寸为288mmx288mmx52mm。此天线由铝合金AlSi10Mg打印。其时一种特别由激光烧结特别规划（formulated）的金属合金粉末。其他的材料例如不锈钢（stainless steel）和钛（titanium）也可以使用但在此选择了铝，这是应为其有着力量，硬度，电导率和轻质量性质的一个最好平衡。打印过程和材料的细节在[26]中给出。在样品生产中，波导和腔体壁的厚度最多被设计为0.7mm。在不不少需要增强结构力度的地方，厚度被最大地设为1mm。样品的整体质量轻地低于1.3kg。

当双圆极化阵列样品有着非常复杂的结构，在当前最先进的DMLS生产过程中有着显著的挑战。在打印过程中，单元通常朝向相对于垂直的一个角度来避免打印过程中在重力作用下薄壁的坍塌。在关键点上，添加了额外的结构支持，其必须在打印之后移除。打印的速度和激光的功率也是应考虑的重要因素。DMLS的不完美性和不连续性，例如表面粗糙度和小的无意的内部调谐柱，有时足够显著地轻微影响在Ku频段的性能。

一个也需要注意的是用不锈钢或者钛是可能的。用不锈钢，成本更低并且可以把壁打印得薄至0.5mm。然而不锈钢的密度显然高于率并且因此整体质量会提成尽管壁更薄。用钛，壁厚大约最低为0.7，在目前最先进的条件下。钛的样品应该比铝的更有力度但有着高质量和成本。

B.VSWR和隔离度

S参数由VNA测量，并且图121显示了仿真和实测所提出的天线阵列的VSWR和隔离度结果的比较。在12-14.5GHz上(VSWR<2)的实测隔离度优于15dB，其覆盖了世界上某些地区的Ku频带卫星通信的发射和接收频带。请注意在实测和仿真结果之间有一些差异，这些差异可能是由于在第四部分A中所提的DMLS生产的不完美性。

C.辐射方向图

辐射方向图在近场微波暗室中测量并且图13显示了对与左旋圆极化和右旋圆极化分别在视轴面(azimuth)和高度(elevation)面在12.5GHz和14.5GHz处的实测方向图。可以看到对于两个面和两个极化，整个栅瓣都低于-18.5dB,这显示这在第三部分B所引入的边角调谐柱工作地很好。实测和仿真的共极化方向图吻合地很好，但是实测的交叉极化方向图比仿真的要更高。对于共极化圆极化方向图的实测和仿真结果吻合地更好（而不是交叉极化）。其可能是由于LP端口的输入阻抗（由于生产误差）的变化，这一些着在端口3和端口4处移相器的加载并不理想。不理想的负载使得双线计划端口不能接收完全等辐和90相差的信号，这将提升交叉极化水平。

D.增益，效率和轴比

阵列增益由传统的增益比较方法测量，其包括介电损耗和反射损耗的因素。图14显示了相对于频率的仿真和实测增益和效率。

可以看到增益在12-14.5GHz对于左旋圆极化和右旋圆极化辐射的增益从29.5到了32.3dBi。整体效率在整个12-14.5频带上高于55%并且在12.25-14.5GHz上高于60%。理想增益由以下公式计算：

$Gain\_ideal = 4\pi D/\lambda^2$

其中D是天线阵列的实际口径尺寸并且 $\lambda$ 是工作波长。总体效率是实现增益和理想增益之比，因此其包含口径效率和辐射效率并且还考虑了反射损耗。实测增益大约比仿真的要低1-2dB。因为结构非常复杂，在3D打印过程中需要腔体和波导内的额外支撑，其在制造后应该移除。此不完美的移除将会增加天线的损耗。效率在低频掉下去，这主要是因为副瓣在频率变低时更宽且更高，这将降低口径效率。（如图14所示）。

在宽边上的仿真和实测轴比如图15所示。尽管仿真轴比在12-14.5GHz的频带上低于2.2dB,实测结果显示最差的结果轴比为5.0dB。与实现的增益相比，实测和仿真的轴比差异更大。当轴比直接与第四部分C所示的交叉极化相关，结果并不令人惊讶。然而，当阵列应用在极化追踪应用的情况下，[19]显示了差的轴比并不是一个限制因素，并显示了对于左旋圆极化和右旋圆极化的交叉极化水平类似。

E.天线性能比较

为了竞争性，表II比较了所提出的双圆极化天线阵列与在[15],[17],[18]和[19]中类似的结构的天线性能。结果显示本文实现了宽带，高增益，高效率和低质量性质。尽管用DMLS中最先进的技术有着内在的生产问题，其为不同由其他传统方式生产的复杂内部结构的天线设计提供了光明的前景。

结论

本文提出了一种宽带，高效率的双圆极化天线，其由一个双线计划天线设计改进而来。对[17]应用了显著的变化，以至所提出的双圆极化阵列提升了阻抗匹配和栅瓣抑制。在此，一种宽带波导90度移相器（Hadge 耦合器）被集成到两个线极化端口来实现双圆极化天线阵列。实测结果显示对于左旋圆极化和右旋圆极化，19%（12-14.5GHz）的带宽（VSWR<2）。实现的增益在29.5-32.3dBi范围内，并且总体效率和轴比分别优于55%h和5.0dB。在12.25-14.5GHz的频带内，其能覆盖世界上某些地区的Ku频带卫星通信，整体效率优于60%并且轴比低于4dB。通过添加合适的射频电子可以使所提出的阵列工作为一个极化追踪阵列。

注解：

极化跟踪阵列(Polarization Tracking Array)：

一种天线系统或阵列天线的设计，它能够动态低调整和跟踪接收或发射信号的极化状态。这种阵列特别适用于无线通信、雷达系统、卫星通信和其他需要精确控制信号极化的场景。

跟踪（Tracking）：

跟踪在这里指的是天线系统的能力，即实时调整自身的极化状态，以匹配接收或发现信号的极化状态。这对于移动通信或卫星通信特别重要，因为信号的极化状态可能会随着时间、空间或环境条件的变化而改变。

工作原理：

动态调整极化：在一个极化跟踪阵列中，每个天线单元可能配备了可以调节的极化器件，例如移相器、功分器或极化旋转器，这些器件通过控制信号可以实时调整天线单元的极化状态。
实时极化调整：该阵列能够通过反馈机制（如信号强度、误差反馈等），不断调整天线单元的极化，使其与目标信号的极化状态保持一致，从而最大化信号接收或发射效率。