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

(四川大學電子信息學院，成都610065)

0 引言

徑向線性槽陣列天線因其高增益、低剖面和生產成本低等優點被廣泛用于微波和毫米波系統[1]。此外，由于徑向線性槽陣列可以通過調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計的天線，文獻[3]基于圓柱波導設計了一款共形天線，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，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，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用。

本文提出了一種可應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目標波束所需的孔徑場分布，然后使用MATLAB-HFSS聯合仿真方法優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化程序，最終得到陣列中槽的位置與尺寸。實驗結果表明，該天線達到了7.2%的相對帶寬，適用于微波探測、微波成像等近場應用。

1 天線結構設計

徑向線性槽陣列天線的設計過程遵循文獻[6]中提出的設計方法。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上方開槽，通過多次迭代優化槽的位置與尺寸以擬合目標孔徑場分布。在優化過程中，將槽和饋電對帶寬的影響一同納入優化程序中，通過多次迭代調整槽的布局以滿足目標孔徑場分布。在本次設計中，天線的收斂規則是溢出效率大于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是在平行平板波導中的剩余功率。

通過上述設計方法，最終的天線結構如圖1所示，該天線由平行平板波導組成，用金屬邊界連接上下兩塊金屬板。波導內部填充相對介電常數εr=2.2厚度hp=7.6mm的介質F4B，天線尺寸為150mm×150mm。在平行平板波導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。同軸探針內導體直徑為Din，外導體直徑為Dout，內導體距波導上表面的距離為hc。通過調整hc，可以實現良好的輸入匹配。

圖1 天線結構示意圖

徑向波導內部填充介質是為了形成慢波結構，減小波導波長，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，每一環中的槽長度ls是固定的。天線所有的設計參數在表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中槽的位置與尺寸

表2 天線參數(單位：mm)

2 結構主要參數分析

徑向波導內部填充介質是為了形成慢波，慢波是一種相速度小于真空中光速的電磁波。由于慢波結構相速度較小，且不是理想的導行波結構，其相速度和頻率具有相關性。在慢波結構中，電磁波的相速度會隨頻率的變化而變化，這種現象被稱為色散特性。研究發現，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，介質的厚度與相速度具有相關性，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。本小結使用HFSS數值仿真軟件，分析徑向波導內部填充介質的主要參數(相對介電常數εr、厚度hp)對天線性能的影響。

2.1 介質的厚度hp對天線性能的影響

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

(a)

2.2 介質的相對介電常數εr對天線性能的影響

在波導內部填充介質是為了形成慢波以增大輻射效率和帶寬，其相對介電常數是十分重要的參數。研究發現，相對介電常數太小會導致輻射效率降低，反之，相對介電常數太大會由于電長度效應導致帶寬變窄[10]。我們選擇相對介電常數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|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內幾乎都出現了惡化，不符合設計要求。最終，我們選擇相對介電常數為2.2的F4B材料作為填充介質。

(b)

3 結果與討論

3.1 仿真結果

基于上述設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|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生的焦點直徑相同，表明該天線在寬帶內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|。可以看出在z=40mm處中心頻率對應的電場達到最大值，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，說明該天線產生的聚焦波束具有良好的對稱性。

圖3 天線反射系數

(a)

(b)

(a)

(b)

3.2 實驗結果與討論

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制作，波導上表面使用激光蝕刻開槽，內部填充介質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接頭連接在波導下表面用作饋電。

圖3顯示的是天線的測試|S11|參數，|S11|參數的測量采用的是KEYSIGHT公司生產的矢量網絡分析儀，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。通過分析發現，這是由于SMA接頭內導體長度過大和波導內部介質存在縫隙導致的。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部介質與上下表面之間存在縫隙，導致帶寬減小。雖然實驗結果存在頻偏，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，與仿真結果具有良好的一致性。

4 結語

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用前景。