一種毫米波波導(dǎo)縫隙天線的研究

錢俊輝 卿海

1. 國(guó)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(zhǎng)范圍為1-10 mm。從頻譜分布來(lái)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(diǎn)。考慮到在大氣傳播過(guò)程中產(chǎn)生的大氣吸收，毫來(lái)波大氣窗口主要有四個(gè)，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(duì)于徵波，毫米波元器件的尺寸要小得多，重量更輕，更容易實(shí)現(xiàn)小型化。同時(shí)毫米波系統(tǒng)機(jī)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)，在毫來(lái)波雷達(dá)、毫米波電子對(duì)抗、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)航、電子情報(bào)和電子支援偵察等軍事方面得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)利用大氣窗口，毫米波頻率可以實(shí)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(shí)通常利用毫來(lái)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(diǎn)，一般采用微帶陣列、波導(dǎo)縫隙陣列來(lái)實(shí)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(diǎn)，多用于天線增益要求不高的場(chǎng)合;波導(dǎo)縫隙陣列具有帶寬較窄，損耗較小的特點(diǎn)，多用于窄帶且天線增益要求高的場(chǎng)合。

毫米波天線國(guó)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(guò)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(dòng)中通天線采用全并饋的喇叭陣或縫隙陣實(shí)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?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

研究?jī)?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(jì)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(jì)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(dú)立給子陣內(nèi)部每個(gè)單元饋電，需研究一種子陣饋電結(jié)構(gòu)來(lái)展寬天線帶寬。

（2）大型波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)。全陣面由256個(gè)子陣組成，1/4陣面由64個(gè)子陣組成，需要1分64的不等功分器對(duì)每個(gè)子陣進(jìn)行饋電。由于子陣所處位置不同，每個(gè)子陣所需的激勵(lì)功率差異很大，采用普通的無(wú)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(shí)，隨著饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(shí)要增加調(diào)相結(jié)構(gòu)來(lái)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(jì)的首選方案。由于我們從未采用懸置帶線設(shè)計(jì)過(guò)毫米波饋電網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)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(jì)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(jì)技術(shù)兩項(xiàng)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(shí)現(xiàn)，由于天線口徑較大（相對(duì)工作波長(zhǎng)），天線被劃分為多個(gè)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?cè)谇捌诘墓ぷ髦胁捎?×4駐波陣為天線子陣進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，并加工了8×8陣列進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，天線帶寬展寬為7%左右。采用這種方法設(shè)計(jì)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(zhǎng)度饋電，饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何在一個(gè)子陣內(nèi)的狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)各單元饋電是比較困難的問(wèn)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(jì)。

大型波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(jì)。但由于耦合器輸出端口存在90°相位差，通過(guò)增加調(diào)相結(jié)構(gòu)進(jìn)行相位匹配。

3. 具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法

通常天線實(shí)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(gè)天線設(shè)計(jì)主要分為天線陣面設(shè)計(jì)和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

（1）天線陣面的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算將天線陣面劃分為4個(gè)象限，每一個(gè)象限分為64個(gè)子陣，每個(gè)子陣是由2×2個(gè)小陣組成，每個(gè)小陣有2×2個(gè)縫隙單元，整個(gè)天線陣面由64×64=4096個(gè)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(jì)。由于天線陣面劃分為了4個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的陣面，饋電網(wǎng)絡(luò)也就對(duì)應(yīng)了4個(gè)象限，我們?nèi)∑渲幸粋€(gè)象限進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后再將其合成即可完成整個(gè)陣面饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)象限進(jìn)行研究，其功分網(wǎng)絡(luò)包括有54個(gè)H-T分支及9個(gè)波導(dǎo)分支線耦合器共63個(gè)波導(dǎo)功分器，組成1個(gè)一分六十四不等功分器。分支線耦合器的作用主要是來(lái)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(gè)端口，比H-T分支多了一個(gè)負(fù)載端口，并且由于耦合結(jié)構(gòu)帶來(lái)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(lái)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(jì)算得到功分器輸出端口的歸一化能量，然后換算成每一個(gè)單獨(dú)功分器的功率比，通過(guò)比較計(jì)算可以將相同功分比的功分器進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，這樣就將63個(gè)功分器簡(jiǎn)化成7種功分器的設(shè)計(jì)。

整個(gè)天線共分四個(gè)象限，由四個(gè)子陣組成，一個(gè)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)

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