Ka波段基片集成波導羅特曼透鏡多波束陣列天線

薛飛 稂華清 楊麗娜

摘要：????? 利用基片集成波導結構完成Ka波段羅特曼透鏡仿真設計。 在設計中基于羅特曼透鏡原理與基片集成波導， 利用Matlab在HFSS中得到羅特曼透鏡輪廓及透鏡的結構中旁壁形狀， 并對基片集成波導縫隙陣列天線進行設計比較， 完成對15×32槽多波束陣列天線的設計， 設計了一個單層基片集成波導-金屬波導垂直轉接的結構。 最后， 將各個部分結合在一起， 完成中心頻點為35 GHz基片集成波導羅特曼透鏡多波束陣列天線設計， 其帶寬為600 MHz， 增益為27.1 dB， 掃描角度為90°。

關鍵詞：???? 基片集成波導;? 羅特曼透鏡;? 縫隙天線;? 多波束陣列天線

中圖分類號：??? ??TJ765.3;? TN820文獻標識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0056-06[SQ0]

0引言

隨著毫米波高頻段系統的發展， 平面化、 集成化對傳統天線的設計提出了更高要求， 即需要開發出高性能、 低成本的平面陣列天線。 基片集成波導結合了普通平面電路和金屬波導的雙重優點， 能滿足現代波束成型網絡對性能、 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獨立且相互重疊的窄波束， 雖然其調零分辨率不及相控陣天線， 但可以實現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， 實現起來非常復雜。 羅特曼透鏡則能形成多個波束， 覆蓋很寬的角度范圍、 增益高， 是經典波束形成網絡之一。 現有的羅特曼透鏡主要基于微帶形式設計實現[5-8]， 由于微帶在高頻損耗較大且設計較為復雜， 因此本文將基片集成波導技術與羅特曼透鏡結合， 實現Ka波段基片集成波導羅特曼透鏡多波束陣列天線。

1基片集成波導

基片集成波導技術是一種新型波導結構， 如圖1所示。 其基本結構是上下底面為金屬層， 中間為低損耗介質基片， 然后在介質上添加兩排金屬化通孔或者金屬柱， 這樣就可以在介質基片上實現傳統的金屬波導傳輸特性[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絡， 其利用輸入端口到天線陣上各個輸出單元的光程差來確定波束指向。 理論上波束指向與工作頻率無關， 然而傳輸線的色散特性以及輻射天線有一定的工作帶寬， 而且能同時形成多個波束， 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個理想焦點確定的圓弧曲線上的輸入端口發出信號， 通過透鏡腔體、 傳輸線結構到達輻射天線單元， 輻射天線陣列單元上得到的信號相位差根據一定的常量依次增大或減小。 當不同的輸入端口輸入時， 根據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個焦點分別為正軸焦點和2個關于X軸對稱的偏軸焦點。 而基于3個理想焦點確定的輸入曲線上均勻分布輸入端口， 其到達各個輻射單元曲線路徑也可以是近似等差的。 對于基片集成波導羅特曼透鏡而言， 利用光程差設計， 但是如果在基板中傳播， 需要考慮介電常數因素， 可通過修正文獻[11]中的幾何光程方程得到：

2.2基片集成波導羅特曼透鏡

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

然后利用式（1）計算得到的其在正軸焦點作為輸入端口時的相位差， 確定透鏡所需補償的相移量， 利用基片集成波導移相實現透鏡所需的移相器， 與透鏡內輪廓連接， 進行微調實現透鏡正軸焦點作為輸入端口時輸出相位差為零， 透鏡偏軸焦點作為輸入端口時輸出相位差相同。 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反射系數與傳輸系數仿真結果， 其帶寬為600 MHz。 圖6為羅特曼偏軸端口輸入時反射系數與傳輸系數仿真結果。圖7為不同輸入端口輸入時輸出端口的相位仿真結果。

由圖7可得， 正軸焦點輸入時輸出端口相位的相位差在0°左右， 偏軸焦點輸入時輸出端口相位的相位差在130°左右， 驗證式（1）中正軸焦點與偏軸焦點中由距離差產生的理想等相位差， 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， 雖然會由于其端口位置有一定差別， 但在一定范圍內近似看作相等， 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計

常見的縫隙陣是在一個兩端短路的封閉波導腔寬壁上開縱縫。 縫隙單元間距為半個波長， 且在距離終端縫隙中心適當的距離處放置短路板， 由于短路板的影響， 激勵出來的是全駐波， 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。 中心饋電由于槽數相當于終端饋電的一半， 帶寬更寬而增益較低、 加工較為復雜。 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。

終端饋電天線的設計是選取距離閉合端的縫中心距短路板1/4個波長 ， 兩相鄰縫間距為1/2個波長， 其結構如圖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）仿真結果

將基片集成波導羅特曼透鏡與基片集成波導縫隙天線結合， 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仿真結果。 圖13為中心頻點35.0 GHz時不同輸入端口輻射仿真方向圖， 由于羅特曼透鏡為對稱結構， 因此可以對其半個陣面分別進行饋電， 從而形成7個波束指向。 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參數波動增大， 波束增益出現惡化。

4基片集成波導-金屬波導垂直轉接

基片集成波導-金屬波導垂直轉接結構如圖14所示。 這種轉接的原理是在寬度稍寬的基片集

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

5基片集成波導羅特曼透鏡陣列天線

完成單層基片集成波導-金屬波導垂直轉接設計， 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羅特曼透鏡整體結構， 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測試結果， 測試與仿真結果基本吻合， 反射系數低于–10 dB的帶寬為1 GHz。 圖18～19分別為羅特曼透鏡正軸焦點、 偏軸焦點輸入時方向圖測試結果， 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結論

基于基片集成波導技術設計并實現了基片集成波導羅特曼透鏡與基片集成波導縫隙陣列天線， 組合完成Ka波段基片集成波導多波束天線。 輸入端口數量決定波束形成的數量， 輸出端口與縫隙陣列天線決定天線增益， 其輸入端口數量可調整。 本文基片集成波導羅特曼透鏡陣列天線具有13個輸入端口、 15個內部輸出端口， 與32槽縫隙陣列天線結合， 形成一個帶寬為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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