低損耗混合饋電波導慢波線(xiàn)頻掃陣列設計

1引言

隨著(zhù)雷達、通信、移動(dòng)電視技術(shù)的不斷發(fā)展，電掃描天線(xiàn)得到了快速發(fā)展。數字波束形成天線(xiàn)陣列和可重構天線(xiàn)都可以實(shí)現電掃描，但與頻掃天線(xiàn)相比，他們的成本和復雜度要高得多?？芍貥嬏炀€(xiàn)可實(shí)現口徑的復用 ，但它不適合大型陣列。在頻掃天線(xiàn)的設計中，要考慮以下四個(gè)主要因素：（1）掃描范圍，（2）所需要的工作帶寬，（3）復雜度，（4）慢波線(xiàn)損耗。為了克服慢波線(xiàn)損耗大的缺點(diǎn)，漏波天線(xiàn)應運而生，而漏波天線(xiàn)的缺點(diǎn)是掃描范圍有限。因此便產(chǎn)生了雙波束等一些技術(shù)。用這些方法實(shí)現的天線(xiàn)口徑大、增益小。為了提高效率，并有效地結合波導縫隙耦合饋電和微帶饋電的優(yōu)勢，提出了混合饋電技術(shù)。我們在前期的工作中將混合饋電技術(shù)應用于頻掃陣列，并設計了一個(gè)22×2的陣列天線(xiàn)，其仿真和實(shí)際測試性能良好。本文在此基礎上，擴大陣列規模，完成了二維陣列的設計。

為了實(shí)現低損耗高增益的要求，本文設計的陣列采用低損耗E面彎曲波導作頻掃慢波線(xiàn)，微帶貼片天線(xiàn)作頻掃輻射單元。實(shí)測結果表明在X波段1GHz帶寬內，該22單元頻掃陣列能實(shí)現（-46°，48°）的波束掃描，副瓣電平均低于-11.5dB，最大增益為24dBi。

2波導慢波線(xiàn)頻掃陣列結構

本文設計的天線(xiàn)陣列結構如圖1所示，其工作頻帶為8.85-9.85GHz。此陣列采用E面彎曲波導作頻掃慢波線(xiàn)，微帶貼片陣列作為輻射天線(xiàn)。該E面彎曲波導頂部開(kāi)口，金屬地板作為該開(kāi)口波導的一個(gè)窄壁。耦合縫隙開(kāi)在共用地板上，天線(xiàn)陣列位于縫隙上層。通過(guò)耦合實(shí)現能量從慢波線(xiàn)至輻射單元的傳輸。改變耦合縫隙的尺寸，可以獲得不同的耦合系數，實(shí)現所需的陣列口徑分布。本設計所用的波導型號為WR-90標準波導，波導內口徑尺寸為22.86×10.16mm2，彎曲波導頂部金屬接地板厚1mm。

圖2中給出了陣列單元結構及相應的參數。微帶貼片天線(xiàn)呈中心對稱(chēng)放置在耦合貼片的兩側以保證各輻射單元電流方向相同。圖3為混合饋電結構的耦合系數隨頻率的變化曲線(xiàn)，混合饋電結構各參數與耦合系數的具體變化關(guān)系可參閱文獻。圖4給出了窄邊開(kāi)縫波導傳輸線(xiàn)的等效電路圖。陣列口徑采用-20dB的泰勒分布，當負載吸收功率占輸入功率的百分之十時(shí)，陣列各單元歸一化耦合系數曲線(xiàn)如圖5所示。

本設計單元間的波導慢波線(xiàn)長(cháng)158.3mm，掃描維單元間距為16.74mm。所用的介質(zhì)材料為Arlon公司的Diclad880，介電常數為2.2，介質(zhì)基片厚度為40mil（約1mm），介質(zhì)損耗角為0.0009?；诠こ虘玫男枰?，陣列單元數為22個(gè)單元，該頻掃天線(xiàn)陣列的總尺寸為380×220×25mm3。

圖1波導慢波線(xiàn)混合饋電的微帶貼片頻掃陣列結構圖

圖2陣列單元結構參數圖

圖3混合饋電結構的耦合系數隨頻率變化曲線(xiàn)

圖4窄邊開(kāi)縫波導傳輸線(xiàn)等效電路

圖522單元串饋頻掃陣各單元耦合系數

3仿真及實(shí)測結果

本設計利用商用仿真軟件HFSS12進(jìn)行仿真。陣列單元結構參數設置如下：微帶輻射貼片的長(cháng)、寬分別為lsp、wsp?；旌橡侂娊Y構中矩形縫隙長(cháng)、寬分別為lst、wst，縫隙傾斜角為θs，耦合微帶貼片的長(cháng)、寬分別為lcp、wcp。優(yōu)化過(guò)程中，保持wcp=3mm和wst=1mm不變，改變縫隙和貼片的長(cháng)度及縫隙傾角，來(lái)獲得所需的各單元的耦合系數。優(yōu)化后的22單元混合饋電結構尺寸如表1所示。該頻掃陣列的仿真結果表明在8.85GHz-9.85GHz頻率范圍內可實(shí)現（-46°，+48°）的波束掃描，波束較好，陣列增益均高于20dBi，最大增益為27dBi，仿真得到的增益曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。圖6中給出了該頻掃陣列仿真的各頻點(diǎn)的副瓣電平，除個(gè)別頻點(diǎn)外，頻帶內的副瓣電平均低于-13dB。仿真的副瓣電平與理論值有一定偏差，這主要是由于各單元的耦合系數并不能在整個(gè)頻帶內完全符合設計要求。加工好的陣列如圖7所示，終端接匹配負載。圖8給出了該頻掃陣列測試的掃描方向圖，結果表明在8.85GHz-9.85GHz頻率范圍內可以實(shí)現(-46°,+48°)的波束掃描，且掃描波束較好。圖6中給出了該頻掃陣列各頻點(diǎn)測試的副瓣電平，頻帶內的副瓣電平均低于-11.5dB，最低副瓣電平達-14dB。根據圖9所示的各掃描頻率點(diǎn)的增益大小可以看出，除個(gè)別頻點(diǎn)外陣列增益均在20dBi左右，最高達24dBi?？梢?jiàn)實(shí)測的增益要比仿真值低，可能是因為加工誤差及中間地板層與下層波導組裝的不夠緊密造成，需進(jìn)一步分析。