一種結(jié)構(gòu)緊湊的毫米波微帶陣列天線*

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在毫米波頻段，微帶陣列天線具有輕質(zhì)、低剖面、低成本、易于加工和批產(chǎn)性好的特點，因而受到了廣泛關(guān)注。為了降低饋線損耗和避免饋線不連續(xù)性輻射對天線方向圖的影響，各輻射單元采用縫隙耦合饋電形式，饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射貼片不同層。并且饋電網(wǎng)絡(luò)可以單獨排列，空間較大，饋線可以做得較寬，損耗更小。饋電網(wǎng)絡(luò)的不連續(xù)性，被輻射單元地板屏蔽，無法前向輻射，避免了對天線前向方向圖的影響[1-2]。

微帶陣列天線工程應(yīng)用的最大限制是饋線損耗大，天線效率低。天線口徑越大，效率越低，其缺點越明顯。在系統(tǒng)可以接受的天線效率前提下，采用強制饋電方式，犧牲天線增益，換取天線的低剖面和低成本特性。為了盡可能地降低饋線損耗，縮短饋線長度，天線輸入端放在陣面的中心部位，饋線的總長度才最短。與天線輸入端放在陣面的邊緣相比，端口放在中心，饋線長度縮短了1/3。

基于上述情況，饋線必須采用帶狀線形式。并且，采用帶狀線饋電還能避免微帶線的色散問題，即改變頻率，各單元饋電相位幾乎不受影響，有利于保證頻帶內(nèi)天線性能的一致。在Ka頻段，天線與射頻前端連接一般采用波導接口。因此，天線還需要將帶狀線過渡到標準波導的轉(zhuǎn)換器。

在前述的陣列天線應(yīng)用下，帶狀線到波導的過渡是通過帶狀線過渡到同軸線，再過渡到微帶線，最后微帶線通過傳統(tǒng)的E面探針方式過渡到波導。這種方案不僅結(jié)構(gòu)復雜，損耗大，加工裝配難度大，可靠性低，并且還破壞了微帶陣列天線的低剖面特性。文獻[3]提出一種微帶波導轉(zhuǎn)換器，有別于傳統(tǒng)的波導-探針-微帶線過渡，傳輸準TEM波的微帶線末端開路位，激勵位于波導口的微帶貼片，形成TM01模，再通過微帶貼片激勵起波導主模TE10模，即利用一個匹配單元進行模式轉(zhuǎn)換，從而完成不同模式工作的傳輸線的過渡。

本文提出一種波導帶狀線轉(zhuǎn)換器，具有插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡單和易于安裝的特點。用于8 mm頻段的口徑尺寸為14個波長的多層微帶陣列天線，實現(xiàn)了24%的天線效率，并且天線厚度減少到1.2 mm。

2 天線組成及原理

天線由輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和波導帶線轉(zhuǎn)換器3部分組成。當天線工作于發(fā)射狀態(tài)時，電磁波通過波導帶線轉(zhuǎn)換器將能量注入饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)通過和差器、七級功率分配器將能量同相位地注入16×16個輻射單元，輻射單元將導行電磁波轉(zhuǎn)換成自由空間傳播的電場波，將能量輻射出去，控制注入各輻射單元的能量比，各單元的輻射電場波在空間疊加，可以得到預期的方向圖。當天線工作于接收狀態(tài)時，情況與之相反。

3 輻射單元

輻射單元為微帶貼片，由地板上的縫隙饋電，而縫隙由與微帶貼片共地板的帶線激勵。由于帶線地板上的縫隙破壞了帶線的對稱性，縫隙在帶線兩地板間激勵平行平板模式，大大增加了單元間的互耦，嚴重惡化天線性能[4]。為了避免這種情況發(fā)生，在縫隙周圍兩地板間加短路銷釘，銷釘?shù)拈g距要足夠小，以至于平行平板模式在銷釘和上下地板間轉(zhuǎn)化為波導的模，從而形成一個諧振腔，而穿過銷釘?shù)膸Ь€傳播TEM模則不受影響。在印制板加工工藝中，用金屬化孔實現(xiàn)兩地板間短路是很容易的。對微帶貼片切角可形成圓極化輻射單元，輻射單元的HFSS模型如圖1所示。

圖1 輻射單元HFSS模型

4 饋電網(wǎng)絡(luò)及波導帶線轉(zhuǎn)換器

饋電網(wǎng)絡(luò)在陣列天線中起到將能量按照口面輻相分布的要求分配到各個輻射單元中的作用。對于16×16元的大陣(圖2)進行全尺寸的仿真目前硬件水平還達不到，只能對各個局部仿真。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

波導帶狀線轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由波導短路面、帶狀線、匹配單元(微帶貼片)、金屬化孔和標準波導組成。帶狀線末端開路激勵匹配單元，等效于微帶天線的電磁耦合饋電，在波導短路面和匹配單元之間形成TM01模。連接帶狀線上下兩地板的金屬化孔，既能不影響帶狀線的TEM模式傳輸，又能截止平行平板模式電磁波傳播，即波導短路面和金屬化孔形成一個背腔，這就限定了能量只能進入波導傳輸。由于背腔中的激勵起的TM01模式，能量集中在匹配單元兩端與波導寬邊形成的縫隙周圍。并且兩縫隙內(nèi)的電場方向一致，都垂直于波導寬邊，與波導內(nèi)傳輸主模TE10模電場方向匹配，從而激勵波導主模傳輸。

圖3 波導帶狀線轉(zhuǎn)換器示意圖

5 實驗結(jié)果與分析

制作了一個16×16的面陣，方位面按0.9個波長等間距分布，俯仰面按0.8個波長等間距均勻分布。天線的方位和差方向圖如圖4所示，波束寬度為4.2°，與設(shè)計值4.29°只有0.09°的差距。副瓣電平實測值為-19.13 dB，與設(shè)計值-23 dB有3.87 dB的不同。這主要是由于天線表面不平度達到了0.1 mm的緣故，它將引起最大2 dB的惡化。余下的1.87 dB估計是輻射貼片和饋電結(jié)構(gòu)之間的定位誤差引起的，從軸比測試數(shù)據(jù)來看它直接導致單元駐波諧振頻率偏低，從而造成各單元饋電相位和幅度出現(xiàn)偏差。

圖4 天線方位和差方向圖

俯仰面副瓣電平實測值為-12.79 dB，如圖5所示，與均勻分布的理論值-13.34 dB相差0.55 dB。0.1 mm不平度將導致最大0.72 dB的惡化。

圖5 天線俯仰方向圖

在500 MHz帶寬內(nèi)天線平均增益約為27.3 dBi，如圖6所示，折算成效率約為24%。饋電網(wǎng)絡(luò)插入損耗約5 dB，它構(gòu)成了微帶陣列天線的主要損耗，在材料性能沒有改善之前，該天線達到30%的效率是十分困難的。

圖6 天線軸比和增益頻響特性

6 結(jié) 論

本文提出一種波導帶狀線轉(zhuǎn)換器，用于8 mm頻段的多層微帶陣列天線，提高了天線效率和穩(wěn)定性，并且還明顯的降低了天線的厚度，使天線結(jié)構(gòu)更緊湊和輕便。該天線口徑尺寸為14個波長，實現(xiàn)了24%的天線效率。天線物理厚度為1.2 mm，口徑與厚度之比達到100∶1，易于與平臺共形，具有極大的應(yīng)用前景。該天線應(yīng)用于實際系統(tǒng)，最大限度地降低了系統(tǒng)的體積和重量，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

參考文獻：

[1] TESHIROGI T, SEKINE Y, BABA N. Novel millimeter-wave planar arrays with high radiation efficiencies[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005,53:778-785.

[2] IIZUKA H, NISHIKAWA K. Millimeter-wave microstrip array antenna for automotive radar systems[J].R&D Review of Toyota CRDL，2002,37(2):7-12.

[3] HIDEO LIZUKA, TOSHIAKI WATABABE, KAZUO S. Millimeter-wave microstrip line to waveguide transition fabricated on a single layer dielectric substrate[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000,48:13-18.

[4] THOMAS A MILLIGAN. Modern antenna design[M]. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons,Inc.,2005.