低损耗混合馈电波导慢波线频扫阵列设计

1 引言

随着雷达、通信、移动电视技术的不断发展，电扫描天线得到了快速发展。数字波束形成天线阵列和可重构天线都可以实现电扫描，但与频扫天线相比，他们的成本和复杂度要高得多。可重构天线可实现口径的复用 ，但它不适合大型阵列。在频扫天线的设计中，要考虑以下四个主要因素：（1）扫描范围，（2）所需要的工作带宽，（3）复杂度，（4）慢波线损耗。为了克服慢波线损耗大的缺点，漏波天线应运而生，而漏波天线的缺点是扫描范围有限。因此便产生了双波束等一些技术。用这些方法实现的天线口径大、增益小。为了提高效率，并有效地结合波导缝隙耦合馈电和微带馈电的优势，提出了混合馈电技术。我们在前期的工作中将混合馈电技术应用于频扫阵列，并设计了一个22×2的阵列天线，其仿真和实际测试性能良好。本文在此基础上，扩大阵列规模，完成了二维阵列的设计。

为了实现低损耗高增益的要求，本文设计的阵列采用低损耗E面弯曲波导作频扫慢波线，微带贴片天线作频扫辐射单元。实测结果表明在X波段1GHz带宽内，该22 单元频扫阵列能实现（-46°，48°）的波束扫描，副瓣电平均低于-11.5dB，最大增益为24dBi。

2 波导慢波线频扫阵列结构

本文设计的天线阵列结构如图1所示，其工作频带为8.85-9.85 GHz。此阵列采用E面弯曲波导作频扫慢波线，微带贴片阵列作为辐射天线。该E面弯曲波导顶部开口，金属地板作为该开口波导的一个窄壁。耦合缝隙开在共用地板上，天线阵列位于缝隙上层。通过耦合实现能量从慢波线至辐射单元的传输。改变耦合缝隙的尺寸，可以获得不同的耦合系数，实现所需的阵列口径分布。本设计所用的波导型号为WR-90标准波导，波导内口径尺寸为22.86×10.16 mm2，弯曲波导顶部金属接地板厚1mm。

图2中给出了阵列单元结构及相应的参数。微带贴片天线呈中心对称放置在耦合贴片的两侧以保证各辐射单元电流方向相同。图3为混合馈电结构的耦合系数随频率的变化曲线，混合馈电结构各参数与耦合系数的具体变化关系可参阅文献。图4给出了窄边开缝波导传输线的等效电路图。阵列口径采用-20dB 的泰勒分布，当负载吸收功率占输入功率的百分之十时，阵列各单元归一化耦合系数曲线如图5所示。

本设计单元间的波导慢波线长158.3mm，扫描维单元间距为16.74mm。所用的介质材料为Arlon公司的 Diclad880，介电常数为2.2，介质基片厚度为40mil（约1mm），介质损耗角为0.0009。基于工程应用的需要，阵列单元数为22个单元，该频扫天线阵列的总尺寸为380×220×25mm3。

图1 波导慢波线混合馈电的微带贴片频扫阵列结构图

图2 阵列单元结构参数图

图3 混合馈电结构的耦合系数随频率变化曲线

图4 窄边开缝波导传输线等效电路

图5 22单元串馈频扫阵各单元耦合系数

3 仿真及实测结果

本设计利用商用仿真软件HFSS12进行仿真。阵列单元结构参数设置如下：微带辐射贴片的长、宽分别为lsp、wsp。混合馈电结构中矩形缝隙长、宽分别为 lst、wst，缝隙倾斜角为θs，耦合微带贴片的长、宽分别为lcp、wcp。优化过程中，保持wcp=3mm 和wst=1mm不变，改变缝隙和贴片的长度及缝隙倾角，来获得所需的各单元的耦合系数。优化后的22单元混合馈电结构尺寸如表1所示。该频扫阵列的仿真结果表明在8.85GHz-9.85GHz频率范围内可实现（-46°，+48°）的波束扫描，波束较好，阵列增益均高于20dBi，最大增益为27dBi，仿真得到的增益曲线见图10。图6中给出了该频扫阵列仿真的各频点的副瓣电平，除个别频点外，频带内的副瓣电平均低于-13dB。仿真的副瓣电平与理论值有一定偏差，这主要是由于各单元的耦合系数并不能在整个频带内完全符合设计要求。加工好的阵列如图7所示，终端接匹配负载。图8给出了该频扫阵列测试的扫描方向图，结果表明在8.85GHz-9.85GHz频率范围内可以实现(-46°,+48°)的波束扫描，且扫描波束较好。图6中给出了该频扫阵列各频点测试的副瓣电平，频带内的副瓣电平均低于-11.5dB，最低副瓣电平达-14dB。根据图9所示的各扫描频率点的增益大小可以看出，除个别频点外阵列增益均在20dBi左右，最高达24dBi。可见实测的增益要比仿真值低，可能是因为加工误差及中间地板层与下层波导组装的不够紧密造成，需进一步分析。

表1 22单元频混合馈电结构参数尺寸（单位：mm）