一種毫米波波導縫隙天線的研究

錢俊輝 卿海

1. 國內外研究狀況

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點。考慮到在大氣傳播過程中產生的大氣吸收，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，更容易實現小型化。同時毫米波系統機動性能好，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武器和各種飛行器所必須具備的。此外，與紅外系統相比，毫米波系統雖然分辨率差一些，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點，在毫來波雷達、毫米波電子對抗、導彈制導、導航、電子情報和電子支援偵察等軍事方面得到了廣泛應用。通過利用大氣窗口，毫米波頻率可以實現大容量的地面中繼通信或衛星-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和成像雷達。毫米波能夠穿透大氣層等離子體，遠程導彈或航天器重返大氣層時通常利用毫來波段進行通信和制導毫米波天線廣泛應用于制導雷達、精密跟蹤雷達中，具有剖面低、重量小的優點，一般采用微帶陣列、波導縫隙陣列來實現。根據應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。

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

2. 研究內容與關鍵技術

研究內容主要有以下三方面的內容：

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

（2）大型波導饋電網絡設計技術。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T功分器不能滿足大功分比的寬帶要求，同時，隨著饋電網絡級數的增加，饋電網絡的帶寬將急劇變窄。為了滿足饋電網絡的帶寬要求，需采用波導E面耦合器代替波導T接頭，同時要增加調相結構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。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，工藝穩定，是饋電網絡設計的首選方案。由于我們從未采用懸置帶線設計過毫米波饋電網絡，可以通過該課題研究懸置帶線饋電在毫米波段的性能，為以后的設計提供技術支撐。

關鍵技術：一種毫米波高效率波導縫隙天線研究包含寬帶縫隙陣技術和大型波導饋電網絡設計技術兩項關鍵技術。

寬帶縫隙陣技術。毫米波高效率波導縫隙天線均采用波導縫隙陣實現，由于天線口徑較大（相對工作波長），天線被劃分為多個子陣，子陣為波導駐波陣。天線工作帶寬主要受天線子陣帶寬的限制，目前產品的工作帶寬為3%左右。展寬天線帶寬很容易想到的解決辦法就是在原產品的基礎上將天線子陣進一步減小，我們在前期的工作中采用4×4駐波陣為天線子陣進行了仿真設計，并加工了8×8陣列進行了實驗驗證，天線帶寬展寬為7%左右。采用這種方法設計的天線將導致天線剖面增加、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部采用并聯方式饋電，由于并聯饋電要求子陣內各單元等電長度饋電，饋電結構復雜，如何在一個子陣內的狹小空間內實現對各單元饋電是比較困難的問題。結合前面的研究結果，擬采用懸置帶狀線功分器或波導腔結構進行子陣內饋電結構設計。

大型波導饋電網絡設計技術。波導饋電網絡的幅相精度直接影響天線的性能參數。同原天線相比，波導饋電網路分配路數增加，（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。為了實現大功分比的分配要求，需要采用耦合的方式進行功分器設計。但由于耦合器輸出端口存在90°相位差，通過增加調相結構進行相位匹配。

3. 具體設計和實現方法

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

（1）天線陣面的設計。經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）饋電網絡的設計。由于天線陣面劃分為了4個旋轉對稱的陣面，饋電網絡也就對應了4個象限，我們取其中一個象限進行設計，設計完成后再將其合成即可完成整個陣面饋電網絡的設計。對于一個象限進行研究，其功分網絡包括有54個H-T分支及9個波導分支線耦合器共63個波導功分器，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分支多了一個負載端口，并且由于耦合結構帶來的輸出端口相位斜率上的差異，還加入了調相結構來調整相位斜率。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行統一編號，這樣就將63個功分器簡化成7種功分器的設計。

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層構成，整體外型寸及布局圖如圖1所示：

參考文獻

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中國兵器裝備集團（成都）火控技術中心