image: 毫米波平面共口径波束扫描阵列天线结构图 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
研究意义：随着雷达和通信等现代无线系统的迅速发展，对多功能射频天线集成化发展提出了更高的需求。在系统中这些不同功能射频天线的重量、尺寸和空间位置非常重要，出于小型集成化、轻量化和低成本的考虑，因此需要将多个射频天线模块集成至单个物理口径中。近来，共口径天线由于高口径利用效率、低成本和多功能集成的优点受到学术界和工业界的广泛地关注。然而，相比于分离式架构，由于共享同一物理共口径，天线端的通道隔离度会发生恶化。对于射频天线系统，恶化的隔离度会使得射频芯片自激或饱和，严重阻塞了接收机正常接收信号。目前大多数的共口径射频天线工作在低频段，随着工作频段的上升，单元之间互耦、表面波传输和传统微带馈电网络采用使得隔离度发生进一步的恶化。因此，如何设计具有高隔离度、宽扫描角度和低剖面高度的毫米波共口径阵列成为棘手的挑战。
本文工作：为了解决上述问题，本研究提出了一种K/Ka波段同极化平面共口径波束扫描阵列。如图1所示，该阵列的辐射单元由工作在K波段的基于基片集成同轴线（SICL）技术的短路枝节加载纵向缝隙和基片集成双线（SIDL）激励的缝隙加载贴片构成，且两个单元位于同一平面。同时为了构建一维K波段和Ka波段阵列，分别引入SICL串并馈功分网络和SIDL全差分功分网络以拓宽两个频带的工作带宽。在阵列布局中，K波段和Ka波段线阵采用交替型排布。为了减小的整个阵列尺寸，两个频段的馈电网络均位于辐射单元的下方。此外，在设计过程中通过引入基片集成波导的高通滤波响应和SIDL全差分馈电网络，天线在扫描过程中隔离度可以得到有效地改善。
实验结果：为了验证设计的有效性，对该天线进行了加工与测试。如图2所示，天线分别在K波段和Ka波段可以实现60°和35°的扫描范围，且在扫描过程中副瓣均小于-10dB。天线在K波段测试的有效带宽为17~20GHz，在Ka波段的有效带宽为27.4~30.9GHz。天线在K波段扫描过程中测试的隔离度大于35dB，而在Ka波段扫描过程中测试的隔离度大于37dB。实验结果表明，该共口径天线具有宽带、高隔离度、低剖面、相对宽的扫描角度和易于与平面电路集成的优点。
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Science China Information Sciences