基于波導(dǎo)功分饋電的CTS陣列天線設(shè)計(jì)

單延軍，李 萍

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

美國于20世紀(jì)90年代初提出了連續(xù)橫向枝節(jié)（continuous transverse stub，CTS）陣列天線[1-3]。國外對(duì)平板波導(dǎo)CTS陣列天線的發(fā)展相對(duì)比較早，國內(nèi)在這方面的研究雖然時(shí)間不長，但近些年也有了長足的發(fā)展。CTS天線陣列是由平板波導(dǎo)演變而來，采用準(zhǔn)TEM模進(jìn)行饋電，主要結(jié)構(gòu)是由多個(gè)平行橫向開口的矩形波導(dǎo)組成。電磁波從平板波導(dǎo)上開口的矩形波導(dǎo)長縫隙輻射出去，并且可以通過在橫向開口的矩形波導(dǎo)增加串聯(lián)枝節(jié)來優(yōu)化阻抗匹配。在過去的20多年中，CTS陣列天線的發(fā)展衍生出了很多類型并應(yīng)用在不同領(lǐng)域。除矩形波導(dǎo)外，還有共面、同軸等其他形式波導(dǎo)[4-5]。CTS陣列天線相比常規(guī)天線具備許多優(yōu)點(diǎn)，例如它能實(shí)現(xiàn)低剖面、高效率的波束掃描等，同時(shí)，增加輻射枝節(jié)的數(shù)量便可提高其增益的特性使得該類型天線自引入以來就得到了業(yè)界廣泛關(guān)注。盡管它們可能還存在制造和組裝復(fù)雜等方面的不足，但是隨著加工方式的多樣性和更簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方式的出現(xiàn)，越來越多的雷達(dá)、通信等系統(tǒng)會(huì)使用這種天線。由于它們的傳輸損耗很小，可以實(shí)現(xiàn)線極化、圓極化等多種方式，同時(shí)具有很高的饋電效率和口徑效率，現(xiàn)已成為高增益天線研究的一個(gè)極為重要的方向，而且還可以工作在高頻帶上，使得這種陣列天線成為毫米波、太赫茲波應(yīng)用中高效率和高增益平面天線的候選者之一。CTS陣列天線在阻抗匹配、饋電網(wǎng)絡(luò)等方面依然存在改善的空間[6-7]。

本文針對(duì)基于波導(dǎo)功分饋電的CTS陣列天線作了研究。分析了CTS天線基本單元，設(shè)計(jì)了CTS天線平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的波導(dǎo)功分饋電結(jié)構(gòu)并仿真優(yōu)化。通過不斷改進(jìn)相關(guān)參數(shù)來提高天線在阻抗匹配、輻射特性等方面的性能。

1 CTS 陣列天線設(shè)計(jì)

1.1 CTS 天線基本單元分析

CTS天線的主要結(jié)構(gòu)是由平行板波導(dǎo)構(gòu)成，是一種平板陣列天線，通常是在平行板波導(dǎo)的上下其中一側(cè)開有連續(xù)的、橫向的開路長槽枝節(jié)，在平行板波導(dǎo)的左右其中一端進(jìn)行饋電。平面波在平行板波導(dǎo)內(nèi)傳播，傳播過程和波導(dǎo)縫隙天線的輻射原理相似，都是從漏波天線的理論出發(fā)，橫向開口的枝節(jié)會(huì)切斷上平行板表面的電流分布，平行板波導(dǎo)內(nèi)部傳輸?shù)碾姶挪ㄍㄟ^枝節(jié)耦合并向外輻射。由于CTS天線輻射枝節(jié)是連續(xù)橫向開口的開路長槽枝節(jié)縫隙，因而在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，單一枝節(jié)輻射能力不強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致其與空氣阻抗不相匹配，會(huì)提高反射系數(shù)，從而致使天線整體的駐波值變差，導(dǎo)致天線的實(shí)際增益降低。多級(jí)串聯(lián)的輻射枝節(jié)的組合能夠有效改善輻射端口匹配性能，因?yàn)樘炀€的效率和增益會(huì)隨著每個(gè)枝節(jié)輻射能力的強(qiáng)弱變化而變化，通過控制每個(gè)枝節(jié)的輻射能力，可以靈活調(diào)整天線整體的效率和增益，以滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求。

圖1為CTS天線基本單元的結(jié)構(gòu)模型，電磁波在平行板波導(dǎo)內(nèi)傳輸，輻射枝節(jié)切斷縱向電流造成平行板波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)和電壓的改變，因此根據(jù)傳輸線理論，把它等效為串聯(lián)阻抗，其基本單元等效電路模型及等效電路分別如圖2、圖3所示。

圖2 基本單元等效電路模型Fig. 2 Equivalent circuit of the basic model

圖3 基本單元整體等效電路Fig. 3 Overall equivalent circuit of the basic model

設(shè)枝節(jié)傳輸線的特性阻抗為Zh，圖2中枝節(jié)等效電路模型中的電長度θ=βh（β為傳輸線的相位常數(shù)，h為輻射單元枝節(jié)的高度），負(fù)載反射系數(shù)用Γs來表示，圖3中Zse為等效電路中的輸入阻抗。

將上式兩邊同時(shí)除以特征阻抗Z0可以得到

分析圖2中的模型，可以知道單元負(fù)載阻抗為Zh=Zse+Z0，由此我們可以進(jìn)一步推出相關(guān)的散射參數(shù)，即S參數(shù)（S11為輸入反射系數(shù)，S22為輸出反射系數(shù)，S12為反向傳輸系數(shù)，S21為正向傳輸系數(shù)）：

要了解枝節(jié)輻射能量，我們還要定義其有效耦合系數(shù)為k，在理想情況下，有

由上面的公式推導(dǎo)可以知道，輻射單元枝節(jié)的高度h和枝節(jié)間隙寬度d的變化會(huì)影響到枝節(jié)電長度βh和相應(yīng)特性阻抗Zh的變化。枝節(jié)間隙寬度d和平行板波導(dǎo)高度h0的比值同樣也會(huì)導(dǎo)致m的改變，因此我們可以通過改變d和h0的比值來改變k的值，即枝節(jié)輻射能量的值。由于平板波導(dǎo)CTS陣列天線的工作頻率和平行板波導(dǎo)內(nèi)有無填充介質(zhì)并不會(huì)影響到天線輻射能量的大小，所以CTS陣列天線顯示出良好的寬帶性能。

1.2 CTS 陣列天線整體設(shè)計(jì)

根據(jù)CTS基本單元等效電路原理以及CTS陣列天線的工作原理，本文設(shè)計(jì)了一種基于波導(dǎo)功分饋電的高增益高效率并可實(shí)現(xiàn)雙頻段的CTS陣列天線，天線工作在W波段。圖4為CTS陣列天線整體結(jié)構(gòu)圖，天線整體尺寸為40 mm×40 mm×25 mm。該天線主要分為兩部分，即CTS天線平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)部分和相應(yīng)的波導(dǎo)功分饋電網(wǎng)絡(luò)部分。

圖4 CTS 陣列天線整體結(jié)構(gòu)模型Fig. 4 The 3-D view of CTS array antenna

圖5 為CTS陣列天線平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)的正視圖，這一部分主要分為輻射枝節(jié)和平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)。平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)主要由一分二波導(dǎo)功率分配器即一個(gè)T型節(jié)和兩個(gè)直角彎頭組成。平行板波導(dǎo)的四級(jí)功率分配器包含四個(gè)匹配部分，需要確保在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。由于是一分二的波導(dǎo)功率分配器多級(jí)連接，因此整個(gè)輻射枝節(jié)的數(shù)量是2的整數(shù)冪。這種方式可以控制E面旁瓣電平（sidelobe level，SLL）小于-13.5 dB，并且能夠提高天線的方向性。本文設(shè)計(jì)的天線是采用這種平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)的方式來使能量分配到各級(jí)端口，并使能量通過輻射枝節(jié)向外輻射。本文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是需要保證16個(gè)輻射枝節(jié)輻射出的能量等幅同相。輻射枝節(jié)的高度對(duì)天線增益和駐波影響并不大，而枝節(jié)寬度對(duì)增益和駐波值影響較大。為使輻射枝節(jié)與自由空間達(dá)到良好的阻抗匹配，根據(jù)等效電路模型，本文在輻射枝節(jié)部分使用了四級(jí)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。輻射枝節(jié)的寬度為d0=1.66 mm，相鄰兩輻射枝節(jié)的間距dx=2.26 mm，通過優(yōu)化，得到輻射枝節(jié)四級(jí)串聯(lián)部分的寬度分別為1.66 mm、1.40 mm、0.84 mm、0.80 mm。

圖5 CTS 平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)正視圖Fig. 5 The front view of parallel plate waveguide CTS array

圖6 為CTS陣列天線的波導(dǎo)功分器饋電結(jié)構(gòu)示意圖，（a）為饋電結(jié)構(gòu)的三維圖，（b）為饋電結(jié)構(gòu)的俯視圖。該饋電結(jié)構(gòu)是基于波導(dǎo)功率分配器和輻射器（即垂直轉(zhuǎn)接波導(dǎo)）的組合，目的是形成線源給平行板波導(dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)饋電。波導(dǎo)功率分配器為一分八的并饋結(jié)構(gòu)，設(shè)置波導(dǎo)功率分配器的最后一級(jí)的寬度為da=4.26 mm。波導(dǎo)功率分配器輻射出的波波程相同，相位相同，波的疊加形成平面波，即線性源，經(jīng)過垂直轉(zhuǎn)接波導(dǎo)傳輸?shù)狡叫邪宀▽?dǎo)并饋網(wǎng)絡(luò)。垂直轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的長度與平行板波導(dǎo)的長度相同，D=40 mm，總饋電口采用的是WR-10（2.54 mm×1.27 mm）標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)口。波導(dǎo)功率分配器結(jié)構(gòu)的整體尺寸為40 mm×20 mm×5 mm。該饋電方式能夠有效降低天線整體的結(jié)構(gòu)剖面，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。

圖6 功分器饋電結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 The feed structure of a power divider

2 仿真結(jié)果

本文采用電磁仿真軟件ANSYS HFSS 19進(jìn)行天線的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)CTS陣列天線輻射枝節(jié)和波導(dǎo)功分饋電結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出滿足性能要求的天線。圖7給出了該天線的S11值，天線在75 ～80 GHz和85 ～89 GHz這兩個(gè)頻帶內(nèi)的S11值均小于-10 dB。圖8是工作頻率為78.8 GHz的E面輻射方向圖，由圖可知，在78.8 GHz時(shí)，其增益為28.6 dB，對(duì)應(yīng)的天線效率為66.5%，E面旁瓣電平為-14.5 dB，3 dB波束寬度為4.38°。圖9是工作頻率為87.5 GHz的E面輻射方向圖，可以看出，在87.5 GHz時(shí)，其增益為28.4 dB，對(duì)應(yīng)的天線效率為51.5%，E面旁瓣電平下降14.3 dB，3 dB波束寬度為4.36°。以上結(jié)果可以充分體現(xiàn)出CTS陣列天線的高增益、高效率特性。

圖7 CTS 陣列天線的 S11Fig. 7 The S11 of CTS array antenna

圖8 CTS 陣列天線 78.8 GHz 方向圖Fig. 8 Far-field gain pattern of CTS array antenna at 78.8 GHz

圖9 CTS 陣列天線 87.5 GHz 方向圖Fig. 9 Far-field gain pattern of CTS array antenna at 87.5 GHz

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了16單元CTS陣列并優(yōu)化了CTS輻射枝節(jié)部分，天線饋電部分采用了功率分配器和輻射器的組合。本文使用電磁仿真軟件HFSS對(duì)已設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模和仿真，并且在仿真過程中不斷地分析仿真結(jié)果和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。天線整體高度為25 mm，達(dá)到低剖面、小型化的要求。天線實(shí)現(xiàn)了雙工作頻帶內(nèi)S11值小于-10 dB，體現(xiàn)了良好的匹配性能，在78.8 GHz與87.5 GHz時(shí)的增益都超過28 dB，天線效率也均達(dá)到了50%以上，兩個(gè)頻點(diǎn)的旁瓣電平都小于-14 dB，3 dB波束寬度大約都在4.4°左右。仿真結(jié)果證明，該CTS陣列天線具有雙頻段、高增益、高效率、窄波束以及低副瓣的性能。該天線可應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)、衛(wèi)星通信、人體安檢等領(lǐng)域。