Ka波段基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡多波束陣列天線

薛飛 稂華清 楊麗娜

摘要：????? 利用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)完成Ka波段羅特曼透鏡仿真設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)中基于羅特曼透鏡原理與基片集成波導(dǎo)， 利用Matlab在HFSS中得到羅特曼透鏡輪廓及透鏡的結(jié)構(gòu)中旁壁形狀， 并對(duì)基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線進(jìn)行設(shè)計(jì)比較， 完成對(duì)15×32槽多波束陣列天線的設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)了一個(gè)單層基片集成波導(dǎo)-金屬波導(dǎo)垂直轉(zhuǎn)接的結(jié)構(gòu)。 最后， 將各個(gè)部分結(jié)合在一起， 完成中心頻點(diǎn)為35 GHz基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡多波束陣列天線設(shè)計(jì)， 其帶寬為600 MHz， 增益為27.1 dB， 掃描角度為90°。

關(guān)鍵詞：???? 基片集成波導(dǎo);? 羅特曼透鏡;? 縫隙天線;? 多波束陣列天線

中圖分類號(hào)：??? ??TJ765.3;? TN820文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A文章編號(hào)：??? ?1673-5048（2019）03-0056-06[SQ0]

0引言

隨著毫米波高頻段系統(tǒng)的發(fā)展， 平面化、 集成化對(duì)傳統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)提出了更高要求， 即需要開(kāi)發(fā)出高性能、 低成本的平面陣列天線。 基片集成波導(dǎo)結(jié)合了普通平面電路和金屬波導(dǎo)的雙重優(yōu)點(diǎn)， 能滿足現(xiàn)代波束成型網(wǎng)絡(luò)對(duì)性能、 外形、 重量、 加工工藝、 成本等諸多方面的要求[1-3]。

多波束天線形成有相控陣天線和透鏡天線兩種類型[4]。 透鏡天線利用同一天線口徑形成多個(gè)獨(dú)立且相互重疊的窄波束， 雖然其調(diào)零分辨率不及相控陣天線， 但可以實(shí)現(xiàn)波束的最佳空域覆蓋， 而相控陣天線需要大量集成移相器、 功分器或定向耦合器， 實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。 羅特曼透鏡則能形成多個(gè)波束， 覆蓋很寬的角度范圍、 增益高， 是經(jīng)典波束形成網(wǎng)絡(luò)之一。 現(xiàn)有的羅特曼透鏡主要基于微帶形式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[5-8]， 由于微帶在高頻損耗較大且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜， 因此本文將基片集成波導(dǎo)技術(shù)與羅特曼透鏡結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)Ka波段基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡多波束陣列天線。

1基片集成波導(dǎo)

基片集成波導(dǎo)技術(shù)是一種新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 如圖1所示。 其基本結(jié)構(gòu)是上下底面為金屬層， 中間為低損耗介質(zhì)基片， 然后在介質(zhì)上添加兩排金屬化通孔或者金屬柱， 這樣就可以在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)傳輸特性[9]。

2羅特曼透鏡

羅特曼透鏡是一種很常用的多波束形成網(wǎng)絡(luò)， 其利用輸入端口到天線陣上各個(gè)輸出單元的光程差來(lái)確定波束指向。 理論上波束指向與工作頻率無(wú)關(guān)， 然而傳輸線的色散特性以及輻射天線有一定的工作帶寬， 而且能同時(shí)形成多個(gè)波束， 覆蓋很寬的角度范圍、 增益高[10]。

2.1羅特曼透鏡工作原理

羅特曼透鏡整體由5部分組成： 輸入端口、 透鏡腔體、 傳輸線、 輸出陣列口、 輻射天線陣， 如圖2所示。 羅特曼透鏡天線的工作原理是： 由3個(gè)理想焦點(diǎn)確定的圓弧曲線上的輸入端口發(fā)出信號(hào)， 通過(guò)透鏡腔體、 傳輸線結(jié)構(gòu)到達(dá)輻射天線單元， 輻射天線陣列單元上得到的信號(hào)相位差根據(jù)一定的常量依次增大或減小。 當(dāng)不同的輸入端口輸入時(shí)， 根據(jù)陣列天線波束形成特性， 將生成不同角度掃描的波束方向圖。 3個(gè)焦點(diǎn)分別為正軸焦點(diǎn)和2個(gè)關(guān)于X軸對(duì)稱的偏軸焦點(diǎn)。 而基于3個(gè)理想焦點(diǎn)確定的輸入曲線上均勻分布輸入端口， 其到達(dá)各個(gè)輻射單元曲線路徑也可以是近似等差的。 對(duì)于基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡而言， 利用光程差設(shè)計(jì)， 但是如果在基板中傳播， 需要考慮介電常數(shù)因素， 可通過(guò)修正文獻(xiàn)[11]中的幾何光程方程得到：

2.2基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡

介質(zhì)基板材料選用Rogers 5880介質(zhì)基片（厚度1.575 mm）， 完成中心頻率為35 GHz的基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡的設(shè)計(jì)， 選取α=24°， φ=30°， R=17.730 9 mm， G=33.368 9 mm， 羅特曼透鏡具有13個(gè)輸入端口， 15個(gè)輸出端口。 基于其波束口輪廓與透鏡外輪廓， 利用式（1）得到其內(nèi)輪廓形狀。 利用Matlab并通過(guò)HFSS-Matlab-API數(shù)據(jù)包編程可得基片集成波導(dǎo)組成的羅特曼透鏡內(nèi)輪廓的HFSS模型， 如圖3所示。 比較其旁壁形狀對(duì)透鏡性能的影響， 選擇圓弧狀旁壁虛端口輪廓。

然后利用式（1）計(jì)算得到的其在正軸焦點(diǎn)作為輸入端口時(shí)的相位差， 確定透鏡所需補(bǔ)償?shù)南嘁屏浚?利用基片集成波導(dǎo)移相實(shí)現(xiàn)透鏡所需的移相器， 與透鏡內(nèi)輪廓連接， 進(jìn)行微調(diào)實(shí)現(xiàn)透鏡正軸焦點(diǎn)作為輸入端口時(shí)輸出相位差為零， 透鏡偏軸焦點(diǎn)作為輸入端口時(shí)輸出相位差相同。 圖4所示為羅特曼透鏡外輪廓。

圖5為羅特曼正軸端口輸入時(shí)反射系數(shù)與傳輸系數(shù)仿真結(jié)果， 其帶寬為600 MHz。 圖6為羅特曼偏軸端口輸入時(shí)反射系數(shù)與傳輸系數(shù)仿真結(jié)果。圖7為不同輸入端口輸入時(shí)輸出端口的相位仿真結(jié)果。

由圖7可得， 正軸焦點(diǎn)輸入時(shí)輸出端口相位的相位差在0°左右， 偏軸焦點(diǎn)輸入時(shí)輸出端口相位的相位差在130°左右， 驗(yàn)證式（1）中正軸焦點(diǎn)與偏軸焦點(diǎn)中由距離差產(chǎn)生的理想等相位差， 其在正軸端口與偏軸端口之間不同輸入端口的輸出相位差， 雖然會(huì)由于其端口位置有一定差別， 但在一定范圍內(nèi)近似看作相等， 由此可以形成不同指向波束。

3縫隙陣列天線

3.1終端饋電縫隙天線設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的縫隙陣是在一個(gè)兩端短路的封閉波導(dǎo)腔寬壁上開(kāi)縱縫。 縫隙單元間距為半個(gè)波長(zhǎng)， 且在距離終端縫隙中心適當(dāng)?shù)木嚯x處放置短路板， 由于短路板的影響， 激勵(lì)出來(lái)的是全駐波， 使縫隙中心處于電壓或電流最大的位置即駐波波腹處， 使能量有效輻射出去[12-13]。

縫隙天線有中心饋電和終端饋電兩種饋電方式。 中心饋電由于槽數(shù)相當(dāng)于終端饋電的一半， 帶寬更寬而增益較低、 加工較為復(fù)雜。 終端饋電帶寬較窄而增益較大。 本文選擇終端饋電形式的縫隙天線。

終端饋電天線的設(shè)計(jì)是選取距離閉合端的縫中心距短路板1/4個(gè)波長(zhǎng) ， 兩相鄰縫間距為1/2個(gè)波長(zhǎng)， 其結(jié)構(gòu)如圖8所示。 由圖9～10可得其帶寬為600 MHz， 增益為19.2 dB。

3.2多波束陣列天線（終端饋電）仿真結(jié)果

將基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡與基片集成波導(dǎo)縫隙天線結(jié)合， 組成終端饋電羅特曼透鏡縫隙陣列天線， 如圖11所示。

圖12為羅特曼透鏡陣列天線不同輸入端口反射系數(shù)仿真結(jié)果。 圖13為中心頻點(diǎn)35.0 GHz時(shí)不同輸入端口輻射仿真方向圖， 由于羅特曼透鏡為對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 因此可以對(duì)其半個(gè)陣面分別進(jìn)行饋電， 從而形成7個(gè)波束指向。 輸入端為正軸端口， 正軸端口、偏軸端口間的輸入端， 偏軸端口三個(gè)端口， 其波束指向分別為0°， -20°， 46°。 增益分別為28.3 dB， 27.1 dB， 24.4 dB， 隨掃描角度范圍的增加， 光程相差增大， 其S參數(shù)波動(dòng)增大， 波束增益出現(xiàn)惡化。

4基片集成波導(dǎo)-金屬波導(dǎo)垂直轉(zhuǎn)接

基片集成波導(dǎo)-金屬波導(dǎo)垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)如圖14所示。 這種轉(zhuǎn)接的原理是在寬度稍寬的基片集

成波導(dǎo)上蝕刻一定尺寸的耦合口徑， 將標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)垂直壓在耦合口徑上， 并由定位銷及螺釘固定[14]。 標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)（FBP-320）的端口尺寸為7.112 mm×3.556 mm， 法蘭直徑為3 mm。

5基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡陣列天線

完成單層基片集成波導(dǎo)-金屬波導(dǎo)垂直轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)， 可將其與圖11羅特曼透鏡后接中心饋電32槽縫隙陣的輸入端連接， 即可得基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡整體結(jié)構(gòu)， 如圖16所示。 圖17為羅特曼透鏡陣列天線不同輸入端口反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果， 測(cè)試與仿真結(jié)果基本吻合， 反射系數(shù)低于–10 dB的帶寬為1 GHz。 圖18～19分別為羅特曼透鏡正軸焦點(diǎn)、 偏軸焦點(diǎn)輸入時(shí)方向圖測(cè)試結(jié)果， 其天線增益分別為27.1 dB， 24.2 dB， 波束指向分別為0°， 44.5°。

6結(jié)論

基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡與基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線， 組合完成Ka波段基片集成波導(dǎo)多波束天線。 輸入端口數(shù)量決定波束形成的數(shù)量， 輸出端口與縫隙陣列天線決定天線增益， 其輸入端口數(shù)量可調(diào)整。 本文基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡陣列天線具有13個(gè)輸入端口、 15個(gè)內(nèi)部輸出端口， 與32槽縫隙陣列天線結(jié)合， 形成一個(gè)帶寬為600 MHz， 增益為27.1 dB， 掃描角度為90°的多波束陣列天線。

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