一種高效率波導縫隙陣列天線設計

安進朝, 張松軼, 康志杰

(1.河北遠東通信系統工程有限公司, 河北 石家莊 050200;2.河北省專網通信技術創新中心, 河北 石家莊 050200)

0 引言

隨著5G 通信[1-2]、高頻汽車雷達[3-4]和人體智能安檢等行業應用的跨越式發展,高頻無線通信[5-6]以其干凈的頻譜環境、更高的信道容量和更小的設備體積等特點,越來越受到廣泛關注。

作為無線通信系統中非常重要的射頻前端部件,天饋系統的性能指標會直接影響整個系統的通信能力,高性能的天饋系統[7-8]可以更好地滿足高速數據傳輸的需求。 尤其對于高頻電磁波,其本身具有較大的自由路徑損耗和穿透衰減,所以對天線的各項技術指標提出了更高的要求。 因此,如何讓天線保持高增益、高效率的同時,還兼具小體積、易安裝的優點,是許多工作人員研究的熱點。 目前市面上常見的高頻天線有反射面天線、低溫共燒陶瓷(LTCC)微帶天線等,傳統的反射面天線[9]具有高增益、高效率的特點,但是其拋物面的焦距會占用很大的空間,在天線安裝空間選擇上會受到一定的制約。 LTCC 微帶天線[10-12]具有低輪廓、平面化和寬頻帶的特性,但是其功率的合成需要大規模的無源合成饋電網絡,會導致很高的傳輸損耗,大大降低天線的綜合使用效率[13-15]。 與上述2 種天線相比,大規模波導縫隙陣列天線[16-18]具有高增益、無寄生輻射和無介質傳輸損耗的優勢,并可通過多層波導饋電結構實現較寬的阻抗帶寬。

本文提出了一種高效率波導縫隙陣列天線,其由16×16 輻射整陣列組成,由下而上可分為波導網絡、耦合縫隙、諧振腔、輻射縫隙和輻射喇叭共5 層結構。 其中,波導網絡層采用低溫焊接工藝,可以實現低損耗、高效率的信號傳輸,與傳統焊接工藝比較,其成本可以得到有效降低;輻射喇叭層通過在輻射縫隙上加載喇叭結構,有效提高了天線的口徑效率。 該16×16 波導縫隙陣列天線不僅具備小型化、低輪廓和低成本的特點,而且在工作帶寬、口徑效率、回波損耗、增益和副瓣電平等性能指標上都有著很好的提升。

通過使用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS 進行仿真分析,結果顯示該天線可在14. 5~15. 35 GHz的工作頻率內,實現80%以上的口徑效率和32 dB以上的天線增益。

1 天線組成結構

傳統的縫隙陣列天線的設計為單層波導饋電網絡結構,本文介紹的高效率波導縫隙陣列天線結構示意如圖1 所示,由下而上可分為5 層結構,即波導網絡、耦合縫隙、諧振腔、輻射縫隙和輻射喇叭。 該結構形式具有加工簡單、可靠性高的特點。

圖1 波導縫隙陣列天線結構示意Fig.1 Structure diagram of waveguide slot array antenna

其中,輻射喇叭的單元間距為0.86λ(λ為天線工作中心頻率對應的波長),輻射縫隙與輻射喇叭采用一對一的結構設計,并位于輻射喇叭的正下方;4 個耦合縫隙設置在諧振腔的4 個頂點位置,其單元間距為輻射喇叭的間距,并饋波導網絡位于波導陣列天線的最底層,其傳輸等幅、同相的電磁波信號。

2 2×2 輻射子陣列設計

為了更好地分析天線的性能,首先對天線的2×2輻射子陣列電磁結構進行仿真分析,其電磁結構模型如圖2 所示。

圖2 2×2 輻射子陣列的結構模型Fig.2 Structural model of the 2×2 radiative sub-array

結構最底層為矩形波導,其末端設置有耦合縫隙進行激勵;耦合縫隙的上方為諧振腔,將耦合縫隙的位置設置在諧振腔下表面的中心位置;經過耦合縫隙激勵,矩形諧振腔體內部可產生強諧振,諧振腔將能量信號均勻輸送到4 個輻射縫隙處。 諧振腔內部的電流分布如圖3 所示。 從圖3 可以看到,諧振腔內的電場呈對稱性分布,紅色區域顯示腔體內壁的極化面一側直角邊處電場強度較大,而輻射縫隙作為諧振腔體表面的開縫結構,通過擾動腔體的表面電流產生輻射,因此縫隙源的輻射效率并不高。為了進一步提高縫隙源輻射的定向性,在其上表面加載了輻射喇叭結構,可將該結構視為二次輻射源,在不增加輻射面積的條件下,有效提高天線的口徑效率。

圖3 2×2 輻射子陣列諧振腔的電流分布Fig.3 The current distribution of the resonator of the 2×2 radiative sub-array

為了保證陣列天線的方向圖不出現柵瓣,其輻射單元的間距應小于最高工作頻段的對應波長。 因此,考慮到該款波導縫隙陣列天線設定的工作頻率是14.5~15.35 GHz,因此將天線的單元間距設定為13.75 mm,可獲得較好的方向圖幅度包絡分布。 各項結構參數值的設定如表1 所示。

表1 2×2 輻射子陣列的結構參數Tab.1 Structural parameters of the 2×2 radiative sub-array單位:mm

其中,A為輻射喇叭的高度,B為耦合縫隙的高度,C為諧振腔體的高度,D為激勵縫隙高度,E為波導高度,F為2×2 輻射子陣列中的單元間距。 天線的中心頻率設定為14.925 GHz,通過HFSS 對輻射子陣列的駐波比(VSWR)進行仿真,仿真結果表明,諧振腔體高度C的尺寸變換對天線的工作帶寬影響較大。C為不同數值時天線的駐波比曲線如圖4 所示。 可以看到,隨著腔體高度的逐漸減小,天線的駐波比帶寬逐漸變寬,考慮到機械加工的容差對天線性能的影響,以及其他參數與腔體高度之間的相關影響,選擇2.5 mm 為最終的諧振腔體高度,此時2×2 輻射子陣列VSWR≤1. 5 的相對帶寬可以達到22%。

圖4 2×2 輻射子陣列的駐波比Fig.4 The VSWR of the 2×2 radiative sub-array

接下來對2×2 輻射子陣列的主極化和交叉極化輻射方向圖進行仿真分析,仿真結果如圖5 所示,可以看到,交叉極化電平在法線輻射方向低于-50 dB。

圖5 2×2 輻射子陣列主極化、交叉極化方向圖Fig.5 The polarization pattern of the 2×2 radiative sub-array

3 16×16 陣列天線分析

基于2×2 輻射子陣列電磁結構,采用電磁全波分析設計方法,對16×16 波導縫隙陣列結構進行仿真分析。 16×16 波導縫隙陣列由波導并饋網絡和子陣列組成,天線結構的主材料為金屬鋁,16×16 陣列的回波損耗隨頻率變化的響應曲線如圖6 所示,可以看出,回波損耗在14. 5~15. 35 GHz 的工作頻帶內持續小于-15 dB。

圖6 16×16 波導縫隙陣列的回波損耗仿真Fig.6 The return loss simulation of the 16×16 waveguide slot array

進一步對16×16 波導縫隙陣列的輻射方向圖進行仿真,結果如圖7 所示。 14.5 GHz 頻點對應的方向性系數為33. 45 dB,增益為33. 25 dB,口徑效率為82%;15. 35 GHz 頻點對應的方向性系數為33.65 dB,增益為33. 25 dB,口徑效率88%,其中,金屬導體損耗0. 22 dB。 在整個14. 5~15. 35 GHz的工作帶寬內,16×16 波導縫隙陣列天線的增益大于32.2 dB,口徑效率大于82%。 與傳統的波導縫隙陣列天線相比,具有更寬的工作帶寬,圖中出現工作頻帶內增益數值隨頻率呈現波動的情況,主要是由天線本身回波損耗的頻響與陣列單元間距近似一個自由空間的波長影響所致。

圖7 16×16 波導縫隙陣列的方向性系數Fig.7 The directivity coefficient of the 16×16 waveguide slot array

3.1 天線的加工

為了更好地驗證仿真設計的結果,對上述16×16 波導縫隙陣列天線進行實物加工,并通過低溫焊接加工技術將3 層鋁材結構組裝在一起。 考慮到加工過程中會產生容差和裝配誤差,在設計時將天線的整體尺寸誤差設定為20 μm,因此在加工過程中要補償相應的誤差。 實際加工出的天線樣件如圖8所示,每層天線的厚度4~6 mm。 由于大面積鋁材的強度較低,加工時在每層鋁片結構體上都設置有定位銷釘,用于裝配時實現較高的裝配精度,同時也可以避免由電磁信號的不連續損耗及電磁泄露導致的天線增益下降。

圖8 天線加工樣件Fig.8 The antenna processing sample

3.2 回波損耗測試

使用矢量網絡分析儀對天線樣件進行實際測試,并將實際測試結果與前期仿真結果進行對比分析。 圖9 給出了16×16 波導縫隙陣列天線回波損耗的仿真和實測對比曲線,由于存在加工誤差,導致仿真的數值和實測結果存在一定的偏差,但是偏差保持在允許的范圍之內。 從圖9 可以看出,駐波比小于2. 0 的天線相對帶寬為20%,同時在14. 5 ~15.35 GHz 的范圍內,駐波比保持小于1.5。

圖9 16×16 波導縫隙陣列的回波損耗實測與仿真對比Fig.9 Comparison of the measured and simulated return loss of the 16×16 waveguide slot array

天線的裝配誤差主要在二維平面方向上,為了進一步分析天線加工誤差帶來的影響,以誤差值為變化量,分別仿真其為20,50,100 μm 時天線的回波損耗參數,如圖10 所示。 由仿真結果可以看出,回波損耗的曲線基本不受誤差量的影響,曲線形狀幾乎沒有太大變化。

圖10 16×16 波導縫隙陣列天線的回撥損耗加工誤差仿真Fig.10 Simulation of the effect of processing error on the return loss of the 16×16 waveguide slot array

3.3 方向性、增益、口徑效率測試

在微波暗室中,對16×16 波導縫隙陣列天線的方向性系數、增益和交叉極化等參數指標進行測試。經過計算,天線的口徑面積為0.07 m2,并以此為基礎估算天線的口徑效率。 經過測試,天線增益與口徑效率隨頻率變化的示意如圖11 所示。 由圖11 可以看出,該天線在最低頻點14. 5 GHz 處,對應的增益為32. 2 dB,其口徑效率為82. 2%;在最高頻點15.35 GHz 處,對應的增益為32.3 dB,其口徑效率為82.4%;在整個14.5~15.35 GHz 的工作頻帶內,天線增益均大于32. 2 dB,帶寬內口徑效率大于80%,同時帶寬內交叉極化電平低于-30 dB。

圖11 天線增益與口徑效率Fig.11 The antenna gain and aperture efficiency

3.4 輻射方向圖

天線整體的饋電網絡采用的是波導形式的并饋網絡,具備等幅、同相分布的特征,其輻射方向圖的理論副瓣電平為-13.4 dB。 經過實際測試,在圖12 中給出了其E 面、H 面在工作帶寬內高(15.35 GHz)、中(14.925 GHz)、低(14. 5 GHz)3 個頻點的輻射方向圖。

由圖12 可以看出,在整個工作帶寬內,方向圖基本沒有柵瓣出現,波瓣的分布沒有出現明顯的變化,其第一副瓣電平為-13 dB,符合等幅、同相激勵陣列天線輻射方向圖中副瓣的分布特性。

圖12 E 面/H 面的測試方向圖Fig.12 The test pattern of E-plane and H-plane

3.5 樣件的實際測試結果

通過對樣件的實際測試結果可以得出:該16×16 波導縫隙陣列天線在14.5~15.35 GHz 的工作帶寬內,駐波比小于1.5,天線的口徑效率大于82%,帶寬內增益大于32. 2 dB,帶寬內交叉極化電平小于-30 dB,樣件實測結果與傳統天線比較如表2所示。

表2 樣件實測結果與傳統天線比較Tab.2 Comparison of the sample with traditional antenna

4 結束語

本文提出并設計了一種加載輻射喇叭單元的高效率、低輪廓、高增益的16×16 波導縫隙陣列天線,首先對基本的2×2 輻射子陣列的電磁結構、輻射機理等原理特點進行分析,并通過Ansoft HFSS 對其關鍵性能指標進行掃描分析,進而給出了仿真結果;基于對2×2 輻射子陣列的仿真分析結果,進一步重點分析了16×16 波導縫隙陣列天線的電磁特性,并通過樣件的加工,以及對樣件回波損耗、口徑效率和輻射方向圖等參數的實際測試,研究分析了基于低成本、低溫焊接技術的相關加工和裝配誤差對該天線電氣性能的影響。 通過對樣件的實際測試結果表明,該天線技術非常適用于大型有源陣列天線系統,可實現高頻電磁波的有效接收與發射,其本身具有高效率、低成本、易安裝和輕質等優勢,具有非常好的應用前景。