具有微帶轉換結構的雙面階梯波導口天線

黃　巖,劉忙龍，黎　雄，紀　濤

(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安　710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安　710065)

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具有微帶轉換結構的雙面階梯波導口天線

黃巖1，2,劉忙龍2，黎雄2，紀濤2

(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065)

摘要:針對傳統毫米波波導口天線損耗較大、半功率波束寬度較窄和饋電轉換結構復雜的問題，提出了具有低損耗微帶-波導轉換結構的雙面階梯波導口天線。該天線系統采用了優化的矩形雙面階梯波導口結構，并且單片微波集成電路到波導的饋電轉換部分采用結構簡單的微帶轉波導結構。仿真和測試結果表明：該結構可以將波導口天線的半功率波束寬度展寬20°左右，同時天線的增益達到7.64 dB，1.6 GHz的帶寬內波端口回波損耗低于-25 dB，實現了波束的展寬和較低的回波損耗。

關鍵詞:引信；雙面階梯；轉換結構；寬波束

0引言

毫米波具有精度高、抗干擾能力強、體積小、重量輕、區分金屬目標和周圍環境的能力強等特點，因此毫米波技術在引信上的應用是近些年國內引信探測器研究的熱點話題。矩形波導口天線具有天線口徑效率高、高Q值、結構簡單緊湊、強度高、安裝方便等結構優點，因此成為了毫米波引信探測器的首選。矩形波導口天線系統包括天線和饋電轉換部分，天線主要影響天線的波束寬度和增益，饋電轉換結構則直接影響天線的效率。標準波導口天線參數固定，這種結構也就使得天線具有了固定的HPBW(半功率波束寬度)，不能做到波束寬度的展寬，而其他金屬體天線又具有較大體積，難以滿足小型引信探測天線波導體的尺寸要求。MMIC(單片微波集成電路)到波導口的傳統饋電轉換結構一般采用同軸、鰭線和脊波導轉微帶幾種結構方式[1]。這些過渡結構只能在10%～20%的帶寬內做到S11小于-15 dB，而且加工工藝復雜，不易于集成化設計。為了解決標準波導口天線系統波束寬度較窄、損耗大和饋電結構復雜的問題，提出了具有微帶-波導轉換結構的雙面階梯(H面附加階梯)波導口天線。

1波導天線結構與饋電方式

1.1標準矩形波導天線

波導口徑天線基本是以矩形波導口徑天線為主，包括波導矩形波導口天線和喇叭天線。矩形波導是最常見的波導結構，常用作電磁波的傳輸體。為了滿足天線對不同波段的要求，矩形波導口天線通常采用不同的標準波導。K波段一般采用標準波導BJ260或者BJ220兩種尺寸的波導。矩形波導作為波導天線其中模式結構比較單一，也有比較成熟的標準波導數值分析方法。采用BJ220波導在作為波導口天線時，其長度為8.636 mm，寬度為4.318 mm，其中傳輸TE10模。毫米級的尺寸成為了其作為小型引信天線的結構優勢，在需求的天線殼體上加工這樣的波導口徑，難度也較低。標準波導天線有固定的HPBW和固定的增益系數，工程上經常被用在尺寸參數確定的小型引信天線系統中。在增益達到7 dB的條件下，如果彈落角要求變化時，標準波導口天線無法實現更寬波束的探測要求。

1.2階梯波導理論

矩形波導口天線是類似與矩形波導輻射器的一種能夠實現電磁波能量放大輻射的。為了改善方向性、壓窄方向圖和獲得較高的增益，需要增加波導輻射器的口徑面積，常見的方法是將波導終端做成逐漸張開的形狀，也就是直接線錐喇叭天線。H.帕切研究了矩形波導雙面階梯結構在波導傳輸模式變換器和濾波器中的應用，當不同高度和寬度的矩形波導相級聯的時候，便產生了雙面(不均勻)的變換器[2]。由此可知類似于H面附加階梯(雙面階梯)比純粹的E面階梯和H面階梯能得到更短的節長和較小的反射系數，這也就說明了雙面階梯結構具有比單面階梯結構更佳的電磁傳輸特性。最佳的三節雙面階梯變化器，其在通帶內的反射系數接近切比雪夫特性，可以知道三節波導階梯具有最佳的輻射特性。標準矩形波導口天線的半功率波束寬度為2θ0.5H=54λ/D(°)，而直接線錐喇叭傳輸的波接近于球面波，天線的半功率波束寬度比擬可以達到2θ0.5H=88λ/D(°) ，對比可以看出直接線錐喇叭天線的天線波束寬度更優。其中D為與矩形波導寬邊平行的喇叭邊長[3]。

1.3微帶探針饋電結構

在毫米波波段，波導口天線的加工難度要低于微帶天線，并且波導口天線能夠實現很好地將電磁能量束縛在一定的范圍內，并且具有小型引信探測器要求的波束寬度。要實現波導口天線向外輻射電磁能量(或者是接收電磁信號)，就需要有專門的微帶-波導過渡裝置來實現將天線饋電系統轉換至波導口天線，來驅動天線工作，借此降低傳輸損耗，實現最大程度的探測功能。同軸-微帶這樣的轉換結構加工工藝難度較大，手動調試較為繁瑣。鰭線-微帶結構中由于鰭線存在各種模式，很難抑制所有不需要的反饋[4-5]，而毫米波段脊波導的屏蔽體費用較高，且損耗較大[6]。采用微帶-波導探針過渡結構能夠實現天線的饋電轉換，采用譜域分析的方法對E面探針進行了分析[7]。微帶-波導的探針轉換結構的分析大多數采用Green’sFunction的方法和正弦電流的方法進行分析。輸入波導的復數功率Pin=PR+jPl，其為探針有效介電常數ε的函數，而介電常數ε又是短路面距探針距離L的函數。微帶探針的輸入阻抗和輸入電抗為：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中PR為復功率實部，Pl為復功率虛部，Il為探針底部電流。從中可以看出探針的輸入阻抗與探針的尺寸，傳輸頻率有關。

2雙面階梯波導口天線

本文提出的雙面階梯波導口天線系統包括三階雙面階梯波導和微帶-波導的探針轉換結構。MMIC輸出的高頻信號經過微帶轉換結構伸進波導給波導口天線提供激勵。雙面階梯波導是在圓柱天線殼體上加工的三階波導階梯結構。微帶轉換結構采用逐節匹配設計的方法實現，其中轉換結構包括探針、阻抗線和匹配線三個部分。

2.1雙面階梯波導口結構

標準波導BJ260口徑面長度為8.636mm，寬度為4.318mm，其半功率波束寬度只能做到固定的范圍。本文中提出的三階雙面波導變化結構是基于這種標準波導而來的，其波導口面的寬邊為8.4mm，窄邊為6.6mm。三階波導空腔高度由最小口面往上具有一定比例的高度，如圖1(a)所示。本文設計采用的K波段波導口天線，波導最小階梯還包括探針往下的部分，其高度近似為四分之一波長。在天線需求的殼體上加工出圖1(a)所示的天線結構，即構成了雙面階梯波導口天線的形狀，如圖1(b)所示。波導結構是跟微帶探針相交的，BDT1分為兩個部分，上部分與BDT2和BDT3構成一個整體，下部分與短路體相接，中間的分界處伸入饋電轉換結構的探針部分，探針具有特定的長度和寬度特征，以上均由轉換結構的要求所定。

圖1　基于雙面階梯的矩形波導腔體結構Fig.1　Rectangular waveguide cavity structure based on double-plane step

波導天線結構模型的建立采用波導體分離的方法建立，這樣做有助于模型簡化，按照波導階梯設計的方法加工的樣品實物如圖1(b)所示。具有微帶轉換結構的波導天線還需要對轉換微帶結構在波導中的作一定的隔離處理，這一點通過合適的腔體實現。按照前面所講的雙面波導階梯結構，設計出波導階梯的參數，其中探針距短路面距離L約為λ/4。

2.2微帶探針轉換結構

微帶探針-波導轉換結構可分為E面探針和H面探針兩種結構，本文采用E面探針結構，這樣就能夠設計更加結構緊湊的小型引信波導口天線。E面探針結構與波導寬邊正交，可縮小天線的整體尺寸，減小饋電轉換結構的復雜度。微帶線需要良好的介質基片，介質基片是電磁場的傳輸媒質，電路結構在介質基片上覆型設計。本文的微帶探針結構的關鍵在于實現覆層分段的匹配設計。由式(1)和式(2)的關系可以得出，為了保證在轉換過渡的頻率帶寬范圍內具有較小的插入損耗和反射損耗，就需要對探針的參數進行優化。由于微波電路結構設計的特殊性，在設計過渡結構的過程中免不了要采用比較繁瑣的電路優化設計方法，通過試探和無約束的優化設計微帶波導過渡結構。按照SmithChart的匹配方式增加了天線設計的難度和復雜性。這里ADS(AdvancedDesignSystem)提供了一種計算微帶線長度計算工具Linecalc，可以根據微帶線的阻抗值來計算微帶金屬層的尺寸。

本文提出了一種簡化設定微帶-波導轉換結構的匹配方法，方便于工程設計和計算使用，見表1。

第一步，設定探針(Probe)長度Lt和寬度Wt，加載激勵仿真之后，探針的輸入阻抗Zin_i=Rpt+jXpt。

第二步，為了實現更好的阻抗匹配，我們建立一段阻抗線(Impedanceline)來實現對輸入阻抗Z的匹配設計，由此確定微帶介質板上阻抗線金屬層的長Li和寬Wi。借助AnsoftHFSS電磁仿真軟件，我們實現對輸入阻抗虛部的匹配到幾乎為零，同樣得到的輸入阻抗Zin_t=Rit+jXit，這里Xit≈0。

第三步，從上一步中我們得出，Rit是一個實數阻值，也即Zin_t是一個阻值。接下來，對探針和阻抗線兩者共同輸入阻抗的匹配，我們按照λ/4阻抗匹配，匹配線(Matchline)的阻值Rm是一個實數，RitRm=502，則Rm=2 500/Rit(Ω)。到這一步就已經實現了對過渡結構部分的50Ω匹配。第二步和第三步中的微帶線參數都可以根據ADS工具得出。

第四步，根據天線的頻率和前面仿真得到的阻抗參數，計算得出微帶線的寬度Wmw。

表1　微帶探針結構參數表

根據以上方法設計的微帶-波導轉換結構如圖2所示。根據前面所講的設計思想和理論部分的阻抗計算公式，計算介質板上各金屬層部分的參數，并逐步用AnsoftHFSS和ADS進行匹配分析。采用上面的思想建立微帶參數使其在仿真的過程中更接近于匹配。

圖2　微帶探針波導轉換結構示意圖Fig.2　Microstrip probe conversion structure

3天線系統的仿真

雙面階梯波導天線系統由鋁波導結構體和MMIC兩部分組成。在毫米波波段更加低的介電常數有利于提高電路的效率。本文采用能夠滿足K波段使用RT/Duriod5880材料作為介質基板，介質基板厚度為0.254mm，介質基板的介電常數為2.2，還需考慮到一定的微帶金屬層的厚度。本文設計的K波段矩形階梯波導口天線，采用AnsoftHFSS進行仿真。由于小型探測器天線可以收發共用，也可以收發獨立。本文只對發射天線進行仿真，接收天線具有與發射天線相同的參數結構。按照上節確定的結構參數建立HFSS模型，如圖3所示。

圖3　雙面階梯波導天線模型Fig.3　Double-plane step waveguide antenna model

按照上節的方法對饋電探針部分進行匹配設計之后，使用HFSS對天線模型進行仿真優化。在仿真過程中發現阻抗線與波導體之間需要一部分空間，此種腔體的作用是為了阻止微帶金屬層表面與波導體相接，從而減小表面電流的損失，腔體的結構與阻抗線的結構有關。從仿真得到的結果如圖4所示。

圖4　天線系統的仿真結果Fig.4　Simulation results of antenna system

從仿真的天線圖來看，由于天線模型建立在圖中是有固定位置的，天線的方向圖在遠離輻射邊界的地方會產生一定的副瓣。圖4(a)和圖4(b)是雙面階梯波導口天線仿真得到的方向圖，在標準的電磁場坐標系中，按照半功率波束寬度來衡量，H面方向圖(Φ=0°)為108.44°。E面方向圖(Φ=90°)為62.82°。圖4(c)是天線的駐波比曲線，可以得出雙面階梯天線的微帶波導結構在21.7～25.5GHz范圍駐波比均小于1.5，滿足在K波段頻帶內的信號大小要求。圖4(d)是天線的S11參數，可以看出回波損耗在21.7～25.5GHz范圍內小于-20dB。天線的最大增益為G=7.64。波導階梯結構對電磁場模式變換的傳輸中具有比較明顯的作用，而設計良好的微帶過渡結構才能夠更好地找到匹配輸入阻抗，實現了駐波比和回波損耗的減小。

標準波導BJ220，基本寬度為8.636 mm，基本高度4.318 mm。其波束寬度為E面：86°，H面：57°。通過對比可以明顯看出矩形波導雙面階梯天線的天線波束寬度在E面和H面均有了提升，能夠滿足小型引信天線的需求。根據仿真結果加工波導體結構，不同的需求下可以根據天線具體要求設計合適的殼體結構。圖5是天線實測結果與仿真對比圖，收發天線測試采用垂直極化方向，測得的是E面方向圖，可以看出主瓣的變化基本吻合。

圖5　E面仿真與測試圖Fig.5　Diagram of simulation and test

4結論

本文提出了具有微帶轉換結構的雙面階梯波導口天線。該天線采用H面附加階梯作為波導結構，饋電過渡采用微帶探針-波導的轉換結構。仿真及測試結果表明：采用三階雙面波導階梯結構能夠明顯展寬天線的波束寬度，波束寬面的HPBW比標準波導口天線展寬了20°左右，且天線的回波損耗在2.41GHz帶寬內降低了5dB以上，低于-20dB，同時增益測試結果與仿真基本一致。緊湊的過渡結構具有計算簡單的優點，能實現饋電過渡的優化設計，在最大程度上解決波導天線結構小型化的問題。擬進行下一步的性能測試，驗證該天線在不同環境下的實用性。

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Double-plane Step Open-end Waveguide Antenna with Microstrip Transition Structure

HUANG Yan1,2, LIU Manglong2, LI Xiong2, JI Tao2

(1. Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China;2.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:In view of the problems of high loss, narrow HPBW, and complex feed convert structure in traditional millimeter wave open-end antenna, a double-plane step antenna with low loss microstrip waveguide conversion structure was proposed. The antenna part applied optimized rectangle double-plane step waveguide open-end structure, and MMIC to waveguide part used simple microstrip to waveguide structure. The simulation results showed that HPBW of antenna was broadened about 20 degrees, and the antenna’s gain was about 7.64dB. The wave-port return loss in 1.64 GHz bandwidth was less than -25dB, and could realize wide-beam and low return loss.

Key words:fuze; double-plane; conversion; wide-beam

中圖分類號:TJ43

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)02-0028-04

作者簡介:黃巖(1990—)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向：天線設計、電磁散射、微波探測技術。E-mail：1170041049@qq.com。

*收稿日期:2015-10-21