一種高增益縫隙定向天線設(shè)計(jì)
1 天線設(shè)計(jì)
微帶板結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 微帶板結(jié)構(gòu)圖
與矩形波導(dǎo)相比,介質(zhì)基片集成波導(dǎo)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)加工簡便,成本低廉;2)體積小,集成度高;3)易于和平面微波電路連接;4)與銅質(zhì)波導(dǎo)相比重量輕。
與微帶貼片天線相比,介質(zhì)基片集成波導(dǎo)的損耗小,Q值高,能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的天線和濾波器。
對(duì)于平板縫隙天線陣,扁波導(dǎo)縫隙天線的帶寬較窄,且波導(dǎo)的高度越低帶寬越窄。另外輻射波導(dǎo)的帶寬還和縫隙所處的外環(huán)境有關(guān),即輻射波導(dǎo)之間的耦合有關(guān)。孤立縫隙的帶寬較寬,而組陣后帶寬較窄。而且當(dāng)單元間距越小,耦合越強(qiáng)時(shí),輻射波導(dǎo)能夠獲得較大的帶寬。因此波導(dǎo)縫隙天線的帶寬主要由2個(gè)因素決定:
1)波導(dǎo)的高度。
2)縫隙所處的外部電磁環(huán)境。
在輻射波導(dǎo)兩測(cè)布置扼流槽可以擴(kuò)展帶寬,如圖2所示。圖中扼流槽的各部分尺寸,單位為mm.由于介質(zhì)波導(dǎo)(SIW)的寬度為24 mm,而輻射波導(dǎo)的間距為40 mm,所以每各輻射波導(dǎo)兩側(cè)都僅有8 mm空間,必須將扼流槽折疊。在折疊后,扼流槽的尺寸都是仿真計(jì)算的,以保證從扼流槽的開口向里看是等效開路。圖3是加扼流槽后天線反射系數(shù)仿真結(jié)果。
圖2 帶有扼流槽的縫隙天線截面圖
圖3 天線反射系數(shù)
圖4所示為天線的正反面結(jié)構(gòu)示意圖,正面所示為天線的輻射面,反面所示為天線的功分面。板材的介電常數(shù)為2.25,厚度為2 mm,該陣列包括8根輻射波導(dǎo),每一根輻射波導(dǎo)上對(duì)稱的開有10個(gè)縫隙。輻射波導(dǎo)的饋電方式為從兩頭對(duì)稱的向中間饋電,這是與傳統(tǒng)的主線支線耦合饋電不同。
{$page$}
圖4 天線結(jié)構(gòu)示意圖
為達(dá)到-20以下的旁瓣抑制要求,采用了海明加權(quán),經(jīng)過優(yōu)化后的權(quán)值分布如表1所示。
表1 幅度權(quán)值分布
天線功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),為了防止某個(gè)輻射波導(dǎo)的反射波通過饋電網(wǎng)絡(luò)耦合到其他輻射波導(dǎo),影響其他輻射波導(dǎo)的激勵(lì)權(quán)值,保證整個(gè)陣列的加權(quán)系數(shù)精度,所以輻射波導(dǎo)的激勵(lì)端口之間需要隔離。為實(shí)現(xiàn)表1所列出的幅度權(quán)值,并且實(shí)現(xiàn)不同輻射波導(dǎo)之間的隔離,功率分配網(wǎng)絡(luò)由H-T型分支和窄邊耦合的定向耦合器構(gòu)成,功分網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要是選擇并聯(lián)饋電形式,即用功分器結(jié)構(gòu)為各個(gè)輻射波導(dǎo)饋電,保證天線的總饋點(diǎn)到各個(gè)輻射波導(dǎo)的路徑是一樣長的。
2 天線實(shí)物與測(cè)試結(jié)果
圖5是實(shí)際制作的平板縫隙天線的實(shí)物照片,整個(gè)天線的面積為:330 mmx330 mm.從圖中看出,天線一共包括8排輻射波導(dǎo),每一排的輻射波導(dǎo)由過孔分為對(duì)稱的兩個(gè)波導(dǎo),所以一共有16個(gè)輻射波導(dǎo)。每個(gè)波導(dǎo)的寬壁上開5個(gè)縫隙,同一波導(dǎo)上的縫隙尺寸各不相同,而不同波導(dǎo)上,相同位置的縫隙的尺寸是一致的。每兩排相鄰的波導(dǎo)之間,有額外設(shè)計(jì)的扼流槽,以提高帶寬。
圖5 天線實(shí)物圖
不同層的介質(zhì)板用金屬螺釘緊固,保證天線的機(jī)械特性結(jié)實(shí)可靠,以及不同層敷銅的電氣接觸良好。
該天線的由位于功率分配網(wǎng)絡(luò)中心的50 Ω SMA接頭饋電,測(cè)量得到的端口反射系數(shù)如圖6(a)。天線具有良好的端口匹配特性。在5.5~5.9 GHz頻段,天線端口的反射系數(shù)都在-12 dB以下(VSWR<1.6)。而天線的-10 dB帶寬更是達(dá)到了463 MHz(5.512~5.975 GHz),其相對(duì)帶寬為8.1%.對(duì)于厚度僅有2 mm的SIW波導(dǎo),相對(duì)帶寬達(dá)到了8.1%.
天線方向圖見圖中6(b)(c)。平板縫隙天線旁瓣指標(biāo)在H面內(nèi),旁瓣電平不超過-30 dB.在E面內(nèi),旁瓣電平也低于-25 dB.
圖6 天線反射系數(shù)和方向圖
3 結(jié)論
提出了基于介質(zhì)板材的波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)方案的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠擴(kuò)展平板波導(dǎo)縫隙天線陣尤其是薄波導(dǎo)縫隙陣的帶寬。采用此方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)80陣元的高增益定向天線陣,并給出了實(shí)測(cè)結(jié)果,表明該天線具有高增益,定向性好,旁瓣低的特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。