低損耗混合饋電波導慢波線頻掃陣列設計

1引言

隨著雷達、通信、移動電視技術的不斷發(fā)展，電掃描天線得到了快速發(fā)展。數(shù)字波束形成天線陣列和可重構天線都可以實現(xiàn)電掃描，但與頻掃天線相比，他們的成本和復雜度要高得多?？芍貥嬏炀€可實現(xiàn)口徑的復用 ，但它不適合大型陣列。在頻掃天線的設計中，要考慮以下四個主要因素：（1）掃描范圍，（2）所需要的工作帶寬，（3）復雜度，（4）慢波線損耗。為了克服慢波線損耗大的缺點，漏波天線應運而生，而漏波天線的缺點是掃描范圍有限。因此便產(chǎn)生了雙波束等一些技術。用這些方法實現(xiàn)的天線口徑大、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。我們在前期的工作中將混合饋電技術應用于頻掃陣列，并設計了一個22×2的陣列天線，其仿真和實際測試性能良好。本文在此基礎上，擴大陣列規(guī)模，完成了二維陣列的設計。

為了實現(xiàn)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，微帶貼片天線作頻掃輻射單元。實測結果表明在X波段1GHz帶寬內(nèi)，該22單元頻掃陣列能實現(xiàn)（-46°，48°）的波束掃描，副瓣電平均低于-11.5dB，最大增益為24dBi。

2波導慢波線頻掃陣列結構

本文設計的天線陣列結構如圖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，微帶貼片陣列作為輻射天線。該E面彎曲波導頂部開口，金屬地板作為該開口波導的一個窄壁。耦合縫隙開在共用地板上，天線陣列位于縫隙上層。通過耦合實現(xiàn)能量從慢波線至輻射單元的傳輸。改變耦合縫隙的尺寸，可以獲得不同的耦合系數(shù)，實現(xiàn)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(nèi)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(shù)。微帶貼片天線呈中心對稱放置在耦合貼片的兩側(cè)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(shù)隨頻率的變化曲線，混合饋電結構各參數(shù)與耦合系數(shù)的具體變化關系可參閱文獻。圖4給出了窄邊開縫波導傳輸線的等效電路圖。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，陣列各單元歸一化耦合系數(shù)曲線如圖5所示。

本設計單元間的波導慢波線長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(shù)為2.2，介質(zhì)基片厚度為40mil（約1mm），介質(zhì)損耗角為0.0009。基于工程應用的需要，陣列單元數(shù)為22個單元，該頻掃天線陣列的總尺寸為380×220×25mm3。

圖1波導慢波線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(shù)圖

圖3混合饋電結構的耦合系數(shù)隨頻率變化曲線

圖4窄邊開縫波導傳輸線等效電路

圖522單元串饋頻掃陣各單元耦合系數(shù)

3仿真及實測結果

本設計利用商用仿真軟件HFSS12進行仿真。陣列單元結構參數(shù)設置如下：微帶輻射貼片的長、寬分別為lsp、wsp。混合饋電結構中矩形縫隙長、寬分別為lst、wst，縫隙傾斜角為θs，耦合微帶貼片的長、寬分別為lcp、wcp。優(yōu)化過程中，保持wcp=3mm和wst=1mm不變，改變縫隙和貼片的長度及縫隙傾角，來獲得所需的各單元的耦合系數(shù)。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(nèi)可實現(xiàn)（-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見圖10。圖6中給出了該頻掃陣列仿真的各頻點的副瓣電平，除個別頻點外，頻帶內(nèi)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(shù)并不能在整個頻帶內(nèi)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(nèi)可以實現(xiàn)(-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測試的副瓣電平，頻帶內(nèi)的副瓣電平均低于-11.5dB，最低副瓣電平達-14dB。根據(jù)圖9所示的各掃描頻率點的增益大小可以看出，除個別頻點外陣列增益均在20dBi左右，最高達24dBi?？梢妼崪y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，需進一步分析。