基于波導功分饋電的CTS陣列天線設計

單延軍，李 萍

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

美國于20世紀90年代初提出了連續橫向枝節（continuous transverse stub，CTS）陣列天線[1-3]。國外對平板波導CTS陣列天線的發展相對比較早，國內在這方面的研究雖然時間不長，但近些年也有了長足的發展。CTS天線陣列是由平板波導演變而來，采用準TEM模進行饋電，主要結構是由多個平行橫向開口的矩形波導組成。電磁波從平板波導上開口的矩形波導長縫隙輻射出去，并且可以通過在橫向開口的矩形波導增加串聯枝節來優化阻抗匹配。在過去的20多年中，CTS陣列天線的發展衍生出了很多類型并應用在不同領域。除矩形波導外，還有共面、同軸等其他形式波導[4-5]。CTS陣列天線相比常規天線具備許多優點，例如它能實現低剖面、高效率的波束掃描等，同時，增加輻射枝節的數量便可提高其增益的特性使得該類型天線自引入以來就得到了業界廣泛關注。盡管它們可能還存在制造和組裝復雜等方面的不足，但是隨著加工方式的多樣性和更簡潔的設計方式的出現，越來越多的雷達、通信等系統會使用這種天線。由于它們的傳輸損耗很小，可以實現線極化、圓極化等多種方式，同時具有很高的饋電效率和口徑效率，現已成為高增益天線研究的一個極為重要的方向，而且還可以工作在高頻帶上，使得這種陣列天線成為毫米波、太赫茲波應用中高效率和高增益平面天線的候選者之一。CTS陣列天線在阻抗匹配、饋電網絡等方面依然存在改善的空間[6-7]。

本文針對基于波導功分饋電的CTS陣列天線作了研究。分析了CTS天線基本單元，設計了CTS天線平行板波導并饋網絡和相應的波導功分饋電結構并仿真優化。通過不斷改進相關參數來提高天線在阻抗匹配、輻射特性等方面的性能。

1 CTS 陣列天線設計

1.1 CTS 天線基本單元分析

CTS天線的主要結構是由平行板波導構成，是一種平板陣列天線，通常是在平行板波導的上下其中一側開有連續的、橫向的開路長槽枝節，在平行板波導的左右其中一端進行饋電。平面波在平行板波導內傳播，傳播過程和波導縫隙天線的輻射原理相似，都是從漏波天線的理論出發，橫向開口的枝節會切斷上平行板表面的電流分布，平行板波導內部傳輸的電磁波通過枝節耦合并向外輻射。由于CTS天線輻射枝節是連續橫向開口的開路長槽枝節縫隙，因而在研究的過程中發現，單一枝節輻射能力不強會導致其與空氣阻抗不相匹配，會提高反射系數，從而致使天線整體的駐波值變差，導致天線的實際增益降低。多級串聯的輻射枝節的組合能夠有效改善輻射端口匹配性能，因為天線的效率和增益會隨著每個枝節輻射能力的強弱變化而變化，通過控制每個枝節的輻射能力，可以靈活調整天線整體的效率和增益，以滿足實際應用場景的具體需求。

圖1為CTS天線基本單元的結構模型，電磁波在平行板波導內傳輸，輻射枝節切斷縱向電流造成平行板波導內場和電壓的改變，因此根據傳輸線理論，把它等效為串聯阻抗，其基本單元等效電路模型及等效電路分別如圖2、圖3所示。

圖2 基本單元等效電路模型Fig. 2 Equivalent circuit of the basic model

圖3 基本單元整體等效電路Fig. 3 Overall equivalent circuit of the basic model

設枝節傳輸線的特性阻抗為Zh，圖2中枝節等效電路模型中的電長度θ=βh（β為傳輸線的相位常數，h為輻射單元枝節的高度），負載反射系數用Γs來表示，圖3中Zse為等效電路中的輸入阻抗。

將上式兩邊同時除以特征阻抗Z0可以得到

分析圖2中的模型，可以知道單元負載阻抗為Zh=Zse+Z0，由此我們可以進一步推出相關的散射參數，即S參數（S11為輸入反射系數，S22為輸出反射系數，S12為反向傳輸系數，S21為正向傳輸系數）：

要了解枝節輻射能量，我們還要定義其有效耦合系數為k，在理想情況下，有

由上面的公式推導可以知道，輻射單元枝節的高度h和枝節間隙寬度d的變化會影響到枝節電長度βh和相應特性阻抗Zh的變化。枝節間隙寬度d和平行板波導高度h0的比值同樣也會導致m的改變，因此我們可以通過改變d和h0的比值來改變k的值，即枝節輻射能量的值。由于平板波導CTS陣列天線的工作頻率和平行板波導內有無填充介質并不會影響到天線輻射能量的大小，所以CTS陣列天線顯示出良好的寬帶性能。

1.2 CTS 陣列天線整體設計

根據CTS基本單元等效電路原理以及CTS陣列天線的工作原理，本文設計了一種基于波導功分饋電的高增益高效率并可實現雙頻段的CTS陣列天線，天線工作在W波段。圖4為CTS陣列天線整體結構圖，天線整體尺寸為40 mm×40 mm×25 mm。該天線主要分為兩部分，即CTS天線平行板波導并饋網絡部分和相應的波導功分饋電網絡部分。

圖4 CTS 陣列天線整體結構模型Fig. 4 The 3-D view of CTS array antenna

圖5 為CTS陣列天線平行板波導并饋網絡的正視圖，這一部分主要分為輻射枝節和平行板波導并饋網絡。平行板波導并饋網絡主要由一分二波導功率分配器即一個T型節和兩個直角彎頭組成。平行板波導的四級功率分配器包含四個匹配部分，需要確保在整個工作頻段范圍內實現良好的阻抗匹配。由于是一分二的波導功率分配器多級連接，因此整個輻射枝節的數量是2的整數冪。這種方式可以控制E面旁瓣電平（sidelobe level，SLL）小于-13.5 dB，并且能夠提高天線的方向性。本文設計的天線是采用這種平行板波導并饋網絡的方式來使能量分配到各級端口，并使能量通過輻射枝節向外輻射。本文設計的關鍵是需要保證16個輻射枝節輻射出的能量等幅同相。輻射枝節的高度對天線增益和駐波影響并不大，而枝節寬度對增益和駐波值影響較大。為使輻射枝節與自由空間達到良好的阻抗匹配，根據等效電路模型，本文在輻射枝節部分使用了四級串聯的結構。輻射枝節的寬度為d0=1.66 mm，相鄰兩輻射枝節的間距dx=2.26 mm，通過優化，得到輻射枝節四級串聯部分的寬度分別為1.66 mm、1.40 mm、0.84 mm、0.80 mm。

圖5 CTS 平行板波導并饋網絡正視圖Fig. 5 The front view of parallel plate waveguide CTS array

圖6 為CTS陣列天線的波導功分器饋電結構示意圖，（a）為饋電結構的三維圖，（b）為饋電結構的俯視圖。該饋電結構是基于波導功率分配器和輻射器（即垂直轉接波導）的組合，目的是形成線源給平行板波導并饋網絡饋電。波導功率分配器為一分八的并饋結構，設置波導功率分配器的最后一級的寬度為da=4.26 mm。波導功率分配器輻射出的波波程相同，相位相同，波的疊加形成平面波，即線性源，經過垂直轉接波導傳輸到平行板波導并饋網絡。垂直轉接波導的長度與平行板波導的長度相同，D=40 mm，總饋電口采用的是WR-10（2.54 mm×1.27 mm）標準矩形波導口。波導功率分配器結構的整體尺寸為40 mm×20 mm×5 mm。該饋電方式能夠有效降低天線整體的結構剖面，實現了天線的小型化。

圖6 功分器饋電結構圖Fig. 6 The feed structure of a power divider

2 仿真結果

本文采用電磁仿真軟件ANSYS HFSS 19進行天線的優化仿真設計。經過對CTS陣列天線輻射枝節和波導功分饋電結構的各項參數優化，最終設計出滿足性能要求的天線。圖7給出了該天線的S11值，天線在75 ～80 GHz和85 ～89 GHz這兩個頻帶內的S11值均小于-10 dB。圖8是工作頻率為78.8 GHz的E面輻射方向圖，由圖可知，在78.8 GHz時，其增益為28.6 dB，對應的天線效率為66.5%，E面旁瓣電平為-14.5 dB，3 dB波束寬度為4.38°。圖9是工作頻率為87.5 GHz的E面輻射方向圖，可以看出，在87.5 GHz時，其增益為28.4 dB，對應的天線效率為51.5%，E面旁瓣電平下降14.3 dB，3 dB波束寬度為4.36°。以上結果可以充分體現出CTS陣列天線的高增益、高效率特性。

圖7 CTS 陣列天線的 S11Fig. 7 The S11 of CTS array antenna

圖8 CTS 陣列天線 78.8 GHz 方向圖Fig. 8 Far-field gain pattern of CTS array antenna at 78.8 GHz

圖9 CTS 陣列天線 87.5 GHz 方向圖Fig. 9 Far-field gain pattern of CTS array antenna at 87.5 GHz

3 結 論

本文設計了16單元CTS陣列并優化了CTS輻射枝節部分，天線饋電部分采用了功率分配器和輻射器的組合。本文使用電磁仿真軟件HFSS對已設計的天線進行建模和仿真，并且在仿真過程中不斷地分析仿真結果和優化結構參數。天線整體高度為25 mm，達到低剖面、小型化的要求。天線實現了雙工作頻帶內S11值小于-10 dB，體現了良好的匹配性能，在78.8 GHz與87.5 GHz時的增益都超過28 dB，天線效率也均達到了50%以上，兩個頻點的旁瓣電平都小于-14 dB，3 dB波束寬度大約都在4.4°左右。仿真結果證明，該CTS陣列天線具有雙頻段、高增益、高效率、窄波束以及低副瓣的性能。該天線可應用于雷達探測、衛星通信、人體安檢等領域。