一种高增益缝隙定向天线设计
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摘要：为实现高增益低旁瓣的定向天线，设计了一种采用介质基片集成波导实现缝隙天线阵，并在辐射缝隙两边增加扼流槽，与传统的介质基片集成波导相比，大幅增加了带宽。最后实现了一介质基片集成波导天线阵，其带宽增加了8%,实际测试表明该天线具有高增益，低旁瓣，达到了设计要求。 介质基片集成波导实现缝隙天线阵是针对以往采用波导型材实现天线开缝的方法所提出的。使用印刷电路中常用的金属化过孔的方法，用两排较为密集的金属过孔将聚四氟乙烯微带板（双面覆铜板）的上下两层铜皮连接在一起。此时在两排过孔与上下两层铜皮之间能够导行电磁波，其模式为类似于矩形波导中的TE10模，而不是TEM波。介质板的上下两层金属层等效为矩形波导的两宽边，而两排金属过孔形成矩形波导的窄壁。对于微带板，如果孔和孔之间的距离比较近，就可以将孔之间的空隙看成是波导窄壁上垂直于传播方向的缝隙。这种缝隙不会影响TE10模传播，也不会向外辐射。因此可以用这种方法在微带板上实现矩形波导的功能。 1 天线设计 微带板结构如图1所示。 图1 微带板结构图 与矩形波导相比，介质基片集成波导具有以下优点：1）加工简便，成本低廉；2）体积小，集成度高；3）易于和平面微波电路连接；4）与铜质波导相比重量轻。 与微带贴片天线相比，介质基片集成波导的损耗小，Q值高，能够实现高性能的天线和滤波器。 对于平板缝隙天线阵，扁波导缝隙天线的带宽较窄，且波导的高度越低带宽越窄。另外辐射波导的带宽还和缝隙所处的外环境有关，即辐射波导之间的耦合有关。孤立缝隙的带宽较宽，而组阵后带宽较窄。而且当单元间距越小，耦合越强时，辐射波导能够获得较大的带宽。因此波导缝隙天线的带宽主要由2个因素决定：1）波导的高度。2）缝隙所处的外部电磁环境。 在辐射波导两测布置扼流槽可以扩展带宽，如图2所示。图中扼流槽的各部分尺寸，单位为mm.由于介质波导（SIW）的宽度为24 mm,而辐射波导的间距为40 mm,所以每各辐射波导两侧都仅有8 mm空间，必须将扼流槽折叠。在折叠后，扼流槽的尺寸都是仿真计算的，以保证从扼流槽的开口向里看是等效开路。图3是加扼流槽后天线反射系数仿真结果。 图2 带有扼流槽的缝隙天线截面图 图3 天线反射系数 图4所示为天线的正反面结构示意图，正面所示为天线的辐射面，反面所示为天线的功分面。板材的介电常数为2.25,厚度为2 mm,该阵列包括8根辐射波导，每一根辐射波导上对称的开有10个缝隙。辐射波导的馈电方式为从两头对称的向中间馈电，这是与传统的主线支线耦合馈电不同。 图4 天线结构示意图 为达到-20以下的旁瓣抑制要求，采用了海明加权，经过优化后的权值分布如表1所示。 表1 幅度权值分布 天线功分网络设计，为了防止某个辐射波导的反射波通过馈电网络耦合到其他辐射波导，影响其他辐射波导的激励权值，保证整个阵列的加权系数精度，所以辐射波导的激励端口之间需要隔离。为实现表1所列出的幅度权值，并且实现不同辐射波导之间的隔离，功率分配网络由H-T型分支和窄边耦合的定向耦合构成，功分网络的结构主要是选择并联馈电形式，即用功分器结构为各个辐射波导馈电，保证天线的总馈点到各个辐射波导的路径是一样长的。 2 天线实物与测试结果 图5是实际制作的平板缝隙天线的实物照片，整个天线的面积为：330 mmx330 mm.从图中看出，天线一共包括8排辐射波导，每一排的辐射波导由过孔分为对称的两个波导，所以一共有16个辐射波导。每个波导的宽壁上开5个缝隙，同一波导上的缝隙尺寸各不相同，而不同波导上，相同位置的缝隙的尺寸是一致的。每两排相邻的波导之间，有额外设计的扼流槽，以提高带宽。 图5 天线实物图 不同层的介质板用金属螺钉紧固，保证天线的机械特性结实可靠，以及不同层敷铜的电气接触良好。 该天线的由位于功率分配网络中心的50 Ω SMA接头馈电，测量得到的端口反射系数如图6（a）。天线具有良好的端口匹配特性。在5.5~5.9 GHz频段，天线端口的反射系数都在-12 dB以下（VSWR<1.6）。而天线的-10 dB带宽更是达到了463 MHz（5.512~5.975 GHz），其相对带宽为8.1%.对于厚度仅有2 mm的SIW波导，相对带宽达到了8.1%. 天线方向图见图中6（b）（c）。平板缝隙天线旁瓣指标在H面内，旁瓣电平不超过-30 dB.在E面内，旁瓣电平也低于-25 dB. 图6 天线反射系数和方向图 3 结论 提出了基于介质板材的波导缝隙天线设计方案并加以实现。该设计方案的最大优点就是能够扩展平板波导缝隙天线阵尤其是薄波导缝隙阵的带宽。采用此方法设计并实现了一个80阵元的高增益定向天线阵，并给出了实测结果，表明该天线具有高增益，定向性好，旁瓣低的特点，达到了设计要求。
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