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学术:Ka波段片上喇叭天线阵列设计

2016-12-16  成都星云

今日荐文

今日荐文的作者为上海交通大学电子工程系专家王志远梁仙灵金荣洪耿军平国网丹东供电公司专家郝强本篇节选自论文《Ka波段片上喇叭天线阵列设计》,发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第2期。下面和小编一起开始学习吧~ 

引  言

近些年,卫星通信技术的应用越来越广泛,相比于低频段,Ka波段通信能够提供更大的带宽,更高的传输速率,并且有助于减小地面终端天线尺寸。但Ka波段频率高,传统的一些馈电网络如微带线等具有较高的插入损耗。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)是近年来广泛研究的一种新型传输线,该传输线具有传统金属波导传输效率高的特点,又易于集成化网络设计。已有诸多文献尝试将基片集成波导应用于天线设计。

 

比如,文献[4]通过在基片集成波导表面刻蚀缝隙,设计了基片集成波导全向缝隙天线阵列,该阵列具有2×6个缝隙,阻抗带宽(S11≤-10dB)为3.4%。此外,也有许多文献尝试将基片集成波导缝隙与其它天线形式相结合。如文献[5]采用基片集成波导缝隙作为馈电,介质谐振器作为辐射元,设计了1×4串馈介质谐振器天线阵列,该阵列具有4.7%的工作带宽,增益约为11.7dBi。文献[6]设计了4×4基片集成波导背腔矩形贴片天线阵列,该阵列可实现8.7%的相对带宽和17.8dBi的增益。

 

也有采用多层PCB工艺,将传统形式的天线集成在介质基片上,如文献[7]通过堆叠多层尺寸逐渐增大的圆形贴片,实现八木天线的结构,此天线具有4.2%的相对带宽,带内增益约为11dBi。同时,作者在文献[8]中利用多层介质堆叠结合金属化通孔,构建了一种60GHz片上喇叭单元天线,喇叭的口径从下至上,逐步扩大。此天线具有13%的相对带宽,阻抗带宽内增益高于8.5dBi,辐射效率高于83%。基于上述单元的类似设计,结合基片集成波导功分网络,本文设计并实现了工作于Ka波段的二元和四元片上喇叭阵列。

1.二元阵列设计

1.1阵列结构

二元片上喇叭阵列的结构如图1所示。其中,第1层、第2层与第3层为喇叭的口径部分,利用金属化通孔构建喇叭的金属壁。由上至下,喇叭单元口径尺寸为6.80mm×6.20mm 、5.20mm×4.60mm与3.60mm×3.00mm,两单元的间距为9.00mm。第4层为基片集成波导一分二馈电网络,馈电网络中的切角用于减小转弯处的反射,居中的金属化通孔用于等分输入功率,喇叭单元通过基片集成波导末端的横向缝隙进行激励。



图1 二元阵列结构(单位:mm)


1.2 结果分析

采用CST Microwave Studio(MWS)电磁仿真软件对二元片上喇叭阵列进行了仿真优化,得到的具体参数如图1所示。其中,最底层介质基片选择Rogers RO5880,介电常数为2.2,其它层介质基片选择Rogers RO4350,介电常数为3.48。介质基片厚度均为0.508mm。采用PCB工艺加工的二元片上喇叭阵列如图2所示。



图2 二元阵列实物与测试环境


由于多层介质板采用螺钉和铝制底板固定压紧,考虑到层与层之间可能存在空气间隙。因此,对空气间隙进行了仿真分析,如图3所示。

 

图3 二元阵列的仿真与实测端口反射系数


可以发现,当空气间隙小于0.03mm时,回波特性受到的影响较小,然而当空气间隙达到0.09mm时,某些频点的反射系数恶化比较明显。因此,在实际应用中,应特别注意空气间隙的影响。实测反射系数与仿真结果吻合较好,在27.7~33.1GHz范围内,S11低于-10dB,相对带宽约为17.8%。


图4给出了三个重要频点(28.5GHz、30.5GHz、32.5GHz)的仿真与实测远场辐射方向图。实测方向图与仿真结果较为一致,实测E面3dB波束宽度约为80度,H面3dB波束宽度约为30度。此外,可以看出天线的E面方向图略微不对称,主要是接头导致天线结构不对称所引起的。


(a) 28.5GHz


(b) 30.5GHz


(c) 32.5GHz

图4 二元阵列的测试与仿真远场方向图


仿真增益与效率如图5所示。在阻抗带宽内,增益高于9.7dBi,效率高于83%,其中,29~32GHz范围内,增益超过10.6dBi,效率高于89%。 

图5 二元阵列的仿真增益与效率

2.四元阵列设计

2.1 阵列结构

四元片上喇叭阵列的结构如图6所示。第1层、第2层与第3层

为喇叭的口径部分,单元尺寸与二元阵列相同。考虑到二元阵列H面旁瓣电平较高,因此,在四元阵列中,H面单元间距优化为7.78mm,E面单元间距为8.40mm。第4层与第5层为多层馈电功分网络,能量通过横向缝隙从第5层耦合到第4层,第4层通过四个横向缝隙为上层的喇叭天线结构馈电。多层设计使得馈电网络面积显著减小,便于实现小型化。


图6 四元阵列结构(单位:mm)


2.2 结果分析

四元片上喇叭阵列的实物图如图7所示。图8给出了仿真与实测端口反射系数,二者较为吻合。实验结果表明,在27.0~32.1GHz范围内,S11低于-10dB,相对带宽约为17.3%。

 
图7 四元阵列实物 

图8 四元阵列的仿真与实测端口反射系数


图9给出了三个重要频点(28.0GHz、30.0GHz、32.0GHz)的仿真与实测远场辐射方向图,实测方向图与仿真结果基本吻合,实测E面旁瓣电平低于-9.0dB,3dB波束宽度约为31度,H面旁瓣电平低于-13.8dB,3dB波束宽度约为32度。相比于二元阵,接头对方向图的影响小得多,E面方向图基本对称。仿真增益与效率如图9所示。阻抗带宽内,增益高于13.3dBi,效率高于78%。


 
(d) 28.0GHz


(e) 30.0GHz


(f) 32.0GHz



图9 四元阵列的仿真增益与效率

结 论

本文基于多层介质堆叠和金属化通孔,设计了Ka波段二元和四元片上喇叭阵列。设计的二元阵列,实测相对阻抗带宽为17.8%,覆盖频率范围27.7~33.1GHz,阻抗带宽内增益高于9.7dBi。设计的四元阵,实测相对阻抗带宽达17.3%,覆盖频率范围27.0~32.1GHz,阻抗带宽内增益高于13.3dBi。

 


[4]HUA G, HONG W, SUN X H etc. Design of an omnidirectional line array with SIW longitudinal slot antenna[C]//International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2008. ICMMT 2008. 2008, 3: 1114–1117.

[5]ABDEL-WAHAB W M, BUSUIOC D, SAFAVI-NAEINI S. Millimeter-Wave High Radiation Efficiency Planar Waveguide Series-Fed Dielectric Resonator Antenna (DRA) Array: Analysis, Design, and Measurements[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(8): 2834–2843.

[6]YANG T Y, HONG W, ZHANG Y. Wideband Millimeter-Wave Substrate Integrated Waveguide Cavity-Backed Rectangular Patch Antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, 13: 205–208.

[7]KRAMER O, DJERAFI T, WU K. Very Small Footprint 60 GHz Stacked Yagi Antenna Array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(9): 3204–3210.

[8]WANG Z, LIANG X, JIN R etc. A novel SIW horn antenna with high gain and high efficiency[C]//2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). 2014: 1292–1293.

 



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