基于徑向線性槽陣列的寬帶近場聚焦天線

李偉澤，楊曉慶，盧萍

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065)

0 引言

徑向線性槽陣列天線因其高增益、低剖面和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點被廣泛用于微波和毫米波系統(tǒng)[1]。此外，由于徑向線性槽陣列可以通過調(diào)整槽的位置和尺寸靈活的控制波束形狀和旁瓣電平而被廣泛用于無線通信、微波探測和微波成像等[2]。

目前已有多種基于徑向線性槽陣列設(shè)計的天線，文獻[3]基于圓柱波導(dǎo)設(shè)計了一款共形天線，由于場分布的限制只獲得了4%的帶寬。文獻[4]基于平行平板波導(dǎo)，在中心頻率30GHz處焦點直徑達到了40mm，旁瓣峰值電平達到了-15dB，獲得了2.5%的相對帶寬。文獻[5]通過在徑向波導(dǎo)表面加載金屬光柵，在30GHz處焦點直徑達到了15mm，獲得了6.7%的帶寬。由于徑向線性槽陣列的縫隙工作于諧振狀態(tài)，諧振縫隙陣列的工作帶寬不僅受到輸入匹配的限制，而且還受到場分布的限制[3]。因此徑向線性槽陣列天線大多屬于窄帶天線，這極大地限制了其在微波成像方面的應(yīng)用。

本文提出了一種可應(yīng)用于微波探測和微波成像的寬帶徑向線性槽陣列近場聚焦天線。首先通過投影方法推導(dǎo)目標波束所需的孔徑場分布，然后使用MATLAB-HFSS聯(lián)合仿真方法優(yōu)化陣列中槽的分布以滿足孔徑場，同時在迭代過程中將帶寬信息反饋給優(yōu)化程序，最終得到陣列中槽的位置與尺寸。實驗結(jié)果表明，該天線達到了7.2%的相對帶寬，適用于微波探測、微波成像等近場應(yīng)用。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

徑向線性槽陣列天線的設(shè)計過程遵循文獻[6]中提出的設(shè)計方法。我們的目的是在天線近場距離天線表h=40mm的位置處形成聚焦波束，并且將焦點直徑小于35mm，旁瓣峰值電平小于-15dB作為約束條件。此外，天線中心頻率為12.5GHz，帶寬為1GHz。天線的設(shè)計過程分為兩步，第一步通過投影方法將位于h處的目標輪廓及其約束條件轉(zhuǎn)化為天線表面的目標孔徑場分布[7]。第二步在平行平板波導(dǎo)上方開槽，通過多次迭代優(yōu)化槽的位置與尺寸以擬合目標孔徑場分布。在優(yōu)化過程中，將槽和饋電對帶寬的影響一同納入優(yōu)化程序中，通過多次迭代調(diào)整槽的布局以滿足目標孔徑場分布。在本次設(shè)計中，天線的收斂規(guī)則是溢出效率大于95%并且實際孔徑場與目標孔徑場之間的誤差小于3%[8]。天線的溢出效率ηs如下：

(1)

其中Pacc是天線接收的功率，Ptra是在平行平板波導(dǎo)中的剩余功率。

通過上述設(shè)計方法，最終的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線由平行平板波導(dǎo)組成，用金屬邊界連接上下兩塊金屬板。波導(dǎo)內(nèi)部填充相對介電常數(shù)εr=2.2厚度hp=7.6mm的介質(zhì)F4B，天線尺寸為150mm×150mm。在平行平板波導(dǎo)的上表面蝕刻槽陣列以輻射電磁波，下表面接地。天線通過固定在天線背部的同軸探針連接50ΩSMA接頭進行中心饋電，如圖1所示。同軸探針內(nèi)導(dǎo)體直徑為Din，外導(dǎo)體直徑為Dout，內(nèi)導(dǎo)體距波導(dǎo)上表面的距離為hc。通過調(diào)整hc，可以實現(xiàn)良好的輸入匹配。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

徑向波導(dǎo)內(nèi)部填充介質(zhì)是為了形成慢波結(jié)構(gòu)，減小波導(dǎo)波長，使槽間距的電尺寸增大，以此達到抑制旁瓣增加帶寬的目的。槽的位置和尺寸由MATLAB-HFSS聯(lián)合仿真方法計算得到，如表1所示。其中所有的槽具有相同的寬度ws，槽的徑向半徑是ρi，每一環(huán)中的槽長度ls是固定的。天線所有的設(shè)計參數(shù)在表2中列出，其中ρ0代表天線半徑。

表1 徑向線性槽天線每一環(huán)中槽的位置與尺寸

表2 天線參數(shù)(單位：mm)

2 結(jié)構(gòu)主要參數(shù)分析

徑向波導(dǎo)內(nèi)部填充介質(zhì)是為了形成慢波，慢波是一種相速度小于真空中光速的電磁波。由于慢波結(jié)構(gòu)相速度較小，且不是理想的導(dǎo)行波結(jié)構(gòu)，其相速度和頻率具有相關(guān)性。在慢波結(jié)構(gòu)中，電磁波的相速度會隨頻率的變化而變化，這種現(xiàn)象被稱為色散特性。研究發(fā)現(xiàn)，相速度減小會使色散曲線較為平坦，從而增加工作帶寬[9]。然而，介質(zhì)的厚度與相速度具有相關(guān)性，對色散的影響程度較大，選擇合適的厚度對天線帶寬和輻射效率尤為重要。本小結(jié)使用HFSS數(shù)值仿真軟件，分析徑向波導(dǎo)內(nèi)部填充介質(zhì)的主要參數(shù)(相對介電常數(shù)εr、厚度hp)對天線性能的影響。

2.1 介質(zhì)的厚度hp對天線性能的影響

在徑向波導(dǎo)中，介質(zhì)不僅僅起支撐作用，介質(zhì)的厚度影響著天線的帶寬。在此分別取介質(zhì)厚度hp為7.3mm、7.6mm、7.9mm進行仿真分析，天線反射系數(shù)|S11|如圖2(a)所示。從圖中可知，隨著介質(zhì)厚度增加，天線低頻段實現(xiàn)良好的匹配，中高頻段反射系數(shù)惡化，導(dǎo)致帶寬減小。當介質(zhì)厚度減小時，天線在高低頻段兩端實現(xiàn)良好的匹配，但中間頻段的反射系數(shù)惡化使得帶寬減小。本文選擇介質(zhì)厚度hp為7.6mm，其不僅滿足帶寬設(shè)計要求，而且在帶寬頻段內(nèi)保持良好的聚焦特性。

(a)

2.2 介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr對天線性能的影響

在波導(dǎo)內(nèi)部填充介質(zhì)是為了形成慢波以增大輻射效率和帶寬，其相對介電常數(shù)是十分重要的參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，相對介電常數(shù)太小會導(dǎo)致輻射效率降低，反之，相對介電常數(shù)太大會由于電長度效應(yīng)導(dǎo)致帶寬變窄[10]。我們選擇相對介電常數(shù)εr分別為2.2、2.35、2.65的F4B材料進行仿真分析，天線反射系數(shù)|S11|如圖2(b)所示。從圖中可以看出，當εr為2.2時，天線在頻率為12-13GHz內(nèi)具有良好的匹配。當增加至2.35時，頻段向低頻偏移，高頻段匹配惡化。當εr增加至2.65時，天線匹配在頻段12-13GHz內(nèi)幾乎都出現(xiàn)了惡化，不符合設(shè)計要求。最終，我們選擇相對介電常數(shù)為2.2的F4B材料作為填充介質(zhì)。

(b)

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果

基于上述設(shè)計方法與表格中的尺寸，在仿真軟件HFSS中建模并仿真。仿真得到的反射系數(shù)|S11|如圖3所示，從圖中可以看出本文提出的天線的中心頻率為12.5GHz，工作帶寬為1GHz。圖4(a)顯示了不同頻率對應(yīng)的電場歸一化z分量|Ez|。從圖中可以看出，在頻率為12.3GHz和12.7GHz時，雖然波束的旁瓣較高，但是其焦點直徑與中心頻率產(chǎn)生的焦點直徑相同，表明該天線在寬帶內(nèi)保持了良好的聚焦特性。圖4(b)顯示了沿OZ軸電場的歸一化z分量|Ez|?？梢钥闯鲈趜=40mm處中心頻率對應(yīng)的電場達到最大值，也就是焦點所在的位置。在頻率為12.3GHz和12.7GHz時，天線的焦點分別在z=32mm和z=43mm。當z=40mm時，電場的歸一化法向分量|Ez|在方位角φ=0°、45°和90°處的輪廓如圖5(a)所示，可以看出不同方位角的輪廓圖基本相同，說明該天線產(chǎn)生的聚焦波束具有良好的對稱性。

圖3 天線反射系數(shù)

(a)

(b)

(a)

(b)

3.2 實驗結(jié)果與討論

為了驗證本文所提出天線的性能，我們制作了天線實物如圖5(b)所示，并對其進行了測試。天線基于平行平板波導(dǎo)制作，波導(dǎo)上表面使用激光蝕刻開槽，內(nèi)部填充介質(zhì)F4B，天線上下表面通過塑料螺釘固定在一起，四周用銅箔將波導(dǎo)包圍形成一個封閉空間。最后，使用焊錫將SMA接頭連接在波導(dǎo)下表面用作饋電。

圖3顯示的是天線的測試|S11|參數(shù)，|S11|參數(shù)的測量采用的是KEYSIGHT公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號為N5232A。從圖中可以看出天線的帶寬為0.9GHz(11.9-12.8GHz)，且小于仿真的帶寬。通過分析發(fā)現(xiàn)，這是由于SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體長度過大和波導(dǎo)內(nèi)部介質(zhì)存在縫隙導(dǎo)致的。由于加工工藝限制，SMA接頭無法精確剪切到合適的長度，導(dǎo)致天線頻帶向低頻偏移。此外，使用塑料螺釘固定天線會使天線內(nèi)部介質(zhì)與上下表面之間存在縫隙，導(dǎo)致帶寬減小。雖然實驗結(jié)果存在頻偏，但測試的工作帶寬仍然能夠覆蓋中心頻率12.5GHz，并且天線電場分布都在中心頻率處測量。圖5(a)顯示了在z=40mm且方位角φ=0°、45°和90°處電場的歸一化法向分量|Ez|，可以看出天線的焦點尺寸為30mm，峰值旁瓣電平為-17.5dB，與仿真結(jié)果具有良好的一致性。

4 結(jié)語

本文基于徑向線性槽陣列提出了一種寬帶近場聚焦天線，仿真和測試結(jié)果表明該天線具有7.2%的相對帶寬，且焦點直徑較小，旁瓣電平較低，在微波檢測和成像方面具有很好的應(yīng)用前景。