一種毫米波波導(dǎo)縫隙天線的研究

錢俊輝 卿海

1. 國內(nèi)外研究狀況

毫米波是介于微波與光波之間的電磁波，波長范圍為1-10 mm。從頻譜分布來看，毫米波介于微波和紅外線之間，在一定程度上兼有二者的優(yōu)點。考慮到在大氣傳播過程中產(chǎn)生的大氣吸收，毫來波大氣窗口主要有四個，分別位于35 GHz、94GHz、140 GHz和220 GHz，總帶寬可達(dá)到135 GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍。另外相對于徵波，毫米波元器件的尺寸要小得多，重量更輕，更容易實現(xiàn)小型化。同時毫米波系統(tǒng)機(jī)動性能好，可以提供良好的分辨率和較高的精度，并不易受到電子干擾，這些特點正是精確制導(dǎo)武器和各種飛行器所必須具備的。此外，與紅外系統(tǒng)相比，毫米波系統(tǒng)雖然分辨率差一些，但能夠提供更好的穿透煙、霧、灰、塵的能力，并可以在夜間工作，具有較好的全天候工作能力由于毫米波兼具微波與紅外線的優(yōu)點，在毫來波雷達(dá)、毫米波電子對抗、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)航、電子情報和電子支援偵察等軍事方面得到了廣泛應(yīng)用。通過利用大氣窗口，毫米波頻率可以實現(xiàn)大容量的地面中繼通信或衛(wèi)星-地面通信;毫米波天線的窄波束和低旁瓣特性可以用于研制低仰角精密跟蹤雷達(dá)和成像雷達(dá)。毫米波能夠穿透大氣層等離子體，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時通常利用毫來波段進(jìn)行通信和制導(dǎo)毫米波天線廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)雷達(dá)、精密跟蹤雷達(dá)中，具有剖面低、重量小的優(yōu)點，一般采用微帶陣列、波導(dǎo)縫隙陣列來實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用需求選用不同的陣列形式，微帶陣列具有帶寬寬、損耗大的特點，多用于天線增益要求不高的場合;波導(dǎo)縫隙陣列具有帶寬較窄，損耗較小的特點，多用于窄帶且天線增益要求高的場合。

毫米波天線國內(nèi)外有很多成熟的應(yīng)用，其中微帶天線效率為30%左右，帶寬可達(dá)10%～30%。波導(dǎo)縫隙陣列效率可達(dá)60%以上，但由于采用串并結(jié)合的饋電方式，帶寬較窄，一般為3%左右，可以通過減小子陣規(guī)模、增大天線子陣數(shù)量的方式擴(kuò)展天線帶寬，但也僅僅能擴(kuò)展為6%左右。動中通天線采用全并饋的喇叭陣或縫隙陣實現(xiàn)，帶寬可達(dá)20%左右，但副瓣較高、剖面較波導(dǎo)低剖面縫隙天線高一倍以上。

2. 研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

研究內(nèi)容主要有以下三方面的內(nèi)容：

（1）寬帶低剖面波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計技術(shù)。為展寬普通波導(dǎo)縫隙天線的工作帶寬，需采用全并饋的設(shè)計方案，子陣內(nèi)部饋電網(wǎng)絡(luò)也必須采用并饋方式。由于子陣空間太小，不能采用波導(dǎo)T功分器獨立給子陣內(nèi)部每個單元饋電，需研究一種子陣饋電結(jié)構(gòu)來展寬天線帶寬。

（2）大型波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)。全陣面由256個子陣組成，1/4陣面由64個子陣組成，需要1分64的不等功分器對每個子陣進(jìn)行饋電。由于子陣所處位置不同，每個子陣所需的激勵功率差異很大，采用普通的無隔離端口波導(dǎo)T功分器不能滿足大功分比的寬帶要求，同時，隨著饋電網(wǎng)絡(luò)級數(shù)的增加，饋電網(wǎng)絡(luò)的帶寬將急劇變窄。為了滿足饋電網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求，需采用波導(dǎo)E面耦合器代替波導(dǎo)T接頭，同時要增加調(diào)相結(jié)構(gòu)來滿足相位一致性的帶寬要求。

（3）毫米波懸置帶線饋電技術(shù)。懸置帶線同空氣帶狀線一樣具有較低的傳輸損耗，但由于采用印制加工工藝，成本較低，工藝穩(wěn)定，是饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首選方案。由于我們從未采用懸置帶線設(shè)計過毫米波饋電網(wǎng)絡(luò)，可以通過該課題研究懸置帶線饋電在毫米波段的性能，為以后的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵技術(shù)：一種毫米波高效率波導(dǎo)縫隙天線研究包含寬帶縫隙陣技術(shù)和大型波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)兩項關(guān)鍵技術(shù)。

寬帶縫隙陣技術(shù)。毫米波高效率波導(dǎo)縫隙天線均采用波導(dǎo)縫隙陣實現(xiàn)，由于天線口徑較大（相對工作波長），天線被劃分為多個子陣，子陣為波導(dǎo)駐波陣。天線工作帶寬主要受天線子陣帶寬的限制，目前產(chǎn)品的工作帶寬為3%左右。展寬天線帶寬很容易想到的解決辦法就是在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上將天線子陣進(jìn)一步減小，我們在前期的工作中采用4×4駐波陣為天線子陣進(jìn)行了仿真設(shè)計，并加工了8×8陣列進(jìn)行了實驗驗證，天線帶寬展寬為7%左右。采用這種方法設(shè)計的天線將導(dǎo)致天線剖面增加、加工難度以及加工成本上升。另外一種解決辦法就是天線子陣內(nèi)部采用并聯(lián)方式饋電，由于并聯(lián)饋電要求子陣內(nèi)各單元等電長度饋電，饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何在一個子陣內(nèi)的狹小空間內(nèi)實現(xiàn)對各單元饋電是比較困難的問題。結(jié)合前面的研究結(jié)果，擬采用懸置帶狀線功分器或波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行子陣內(nèi)饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計。

大型波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)。波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相精度直接影響天線的性能參數(shù)。同原天線相比，波導(dǎo)饋電網(wǎng)路分配路數(shù)增加，（由16路增加為64路）功分器各輸出端口功率分配差異變大，單個功分單元達(dá)到1：5以上，如采用普通T接頭顯然功分器的幅度分配精度不滿足要求。為了實現(xiàn)大功分比的分配要求，需要采用耦合的方式進(jìn)行功分器設(shè)計。但由于耦合器輸出端口存在90°相位差，通過增加調(diào)相結(jié)構(gòu)進(jìn)行相位匹配。

3. 具體設(shè)計和實現(xiàn)方法

通常天線實現(xiàn)方式有平面微帶陣列、基片集成波導(dǎo)縫隙陣列、波導(dǎo)縫隙陣列三種方式。隨著波導(dǎo)縫隙天線焊接工藝的突破，決定采取波導(dǎo)縫隙天線陣面和全波導(dǎo)饋電的方式進(jìn)行天線的研究，整個天線設(shè)計主要分為天線陣面設(shè)計和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計兩個方面。

（1）天線陣面的設(shè)計。經(jīng)過分析計算將天線陣面劃分為4個象限，每一個象限分為64個子陣，每個子陣是由2×2個小陣組成，每個小陣有2×2個縫隙單元，整個天線陣面由64×64=4096個縫隙單元組成。劃分若干子陣的目的是為了拓展天線的頻帶寬度，滿足帶寬要求。

（2）饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。由于天線陣面劃分為了4個旋轉(zhuǎn)對稱的陣面，饋電網(wǎng)絡(luò)也就對應(yīng)了4個象限，我們?nèi)∑渲幸粋€象限進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計完成后再將其合成即可完成整個陣面饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。對于一個象限進(jìn)行研究，其功分網(wǎng)絡(luò)包括有54個H-T分支及9個波導(dǎo)分支線耦合器共63個波導(dǎo)功分器，組成1個一分六十四不等功分器。分支線耦合器的作用主要是來完成大功分比的功分。區(qū)別于H-T分支，分支線耦合器共有四個端口，比H-T分支多了一個負(fù)載端口，并且由于耦合結(jié)構(gòu)帶來的輸出端口相位斜率上的差異，還加入了調(diào)相結(jié)構(gòu)來調(diào)整相位斜率。采用副瓣電平為-32dB的可分離型泰勒分布，計算得到功分器輸出端口的歸一化能量，然后換算成每一個單獨功分器的功率比，通過比較計算可以將相同功分比的功分器進(jìn)行統(tǒng)一編號，這樣就將63個功分器簡化成7種功分器的設(shè)計。

整個天線共分四個象限，由四個子陣組成，一個象限陣面由4層構(gòu)成，整體外型寸及布局圖如圖1所示：

參考文獻(xiàn)

[1]李曉川.波導(dǎo)縫隙天線極化特性分析與關(guān)鍵技術(shù)研究.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] H.莫特.天線和雷達(dá)中的極化.北京：電子科技大學(xué)出版社，1989.

[3]林昌祿.天線工程手冊.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

中國兵器裝備集團(tuán)（成都）火控技術(shù)中心