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。可重構天線可實現(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，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。所用的介質材料為Arlon公司的Diclad880，介電常數(shù)為2.2，介質基片厚度為40mil（約1mm），介質損耗角為0.0009?；诠こ虘玫男枰?，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?；旌橡侂娊Y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。