一种高效率波导缝隙阵列天线设计

安进朝, 张松轶, 康志杰

(1.河北远东通信系统工程有限公司, 河北 石家庄 050200;2.河北省专网通信技术创新中心, 河北 石家庄 050200)

随着5G 通信[1-2]、高频汽车雷达[3-4]和人体智能安检等行业应用的跨越式发展,高频无线通信[5-6]以其干净的频谱环境、更高的信道容量和更小的设备体积等特点,越来越受到广泛关注。

作为无线通信系统中非常重要的射频前端部件,天馈系统的性能指标会直接影响整个系统的通信能力,高性能的天馈系统[7-8]可以更好地满足高速数据传输的需求。

尤其对于高频电磁波,其本身具有较大的自由路径损耗和穿透衰减,所以对天线的各项技术指标提出了更高的要求。

因此,如何让天线保持高增益、高效率的同时,还兼具小体积、易安装的优点,是许多工作人员研究的热点。

目前市面上常见的高频天线有反射面天线、低温共烧陶瓷(LTCC)微带天线等,传统的反射面天线[9]具有高增益、高效率的特点,但是其抛物面的焦距会占用很大的空间,在天线安装空间选择上会受到一定的制约。

LTCC 微带天线[10-12]具有低轮廓、平面化和宽频带的特性,但是其功率的合成需要大规模的无源合成馈电网络,会导致很高的传输损耗,大大降低天线的综合使用效率[13-15]。

与上述2 种天线相比,大规模波导缝隙阵列天线[16-18]具有高增益、无寄生辐射和无介质传输损耗的优势,并可通过多层波导馈电结构实现较宽的阻抗带宽。

本文提出了一种高效率波导缝隙阵列天线,其由16×16 辐射整阵列组成,由下而上可分为波导网络、耦合缝隙、谐振腔、辐射缝隙和辐射喇叭共5 层结构。

其中,波导网络层采用低温焊接工艺,可以实现低损耗、高效率的信号传输,与传统焊接工艺比较,其成本可以得到有效降低;辐射喇叭层通过在辐射缝隙上加载喇叭结构,有效提高了天线的口径效率。

该16×16 波导缝隙阵列天线不仅具备小型化、低轮廓和低成本的特点,而且在工作带宽、口径效率、回波损耗、增益和副瓣电平等性能指标上都有着很好的提升。

通过使用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS 进行仿真分析,结果显示该天线可在14. 5~15. 35 GHz的工作频率内,实现80%以上的口径效率和32 dB以上的天线增益。

传统的缝隙阵列天线的设计为单层波导馈电网络结构,本文介绍的高效率波导缝隙阵列天线结构示意如图1 所示,由下而上可分为5 层结构,即波导网络、耦合缝隙、谐振腔、辐射缝隙和辐射喇叭。

该结构形式具有加工简单、可靠性高的特点。

图1 波导缝隙阵列天线结构示意Fig.1 Structure diagram of waveguide slot array antenna

其中,辐射喇叭的单元间距为0.86λ(λ为天线工作中心频率对应的波长),辐射缝隙与辐射喇叭采用一对一的结构设计,并位于辐射喇叭的正下方;4 个耦合缝隙设置在谐振腔的4 个顶点位置,其单元间距为辐射喇叭的间距,并馈波导网络位于波导阵列天线的最底层,其传输等幅、同相的电磁波信号。

为了更好地分析天线的性能,首先对天线的2×2辐射子阵列电磁结构进行仿真分析,其电磁结构模型如图2 所示。

图2 2×2 辐射子阵列的结构模型Fig.2 Structural model of the 2×2 radiative sub-array

结构最底层为矩形波导,其末端设置有耦合缝隙进行激励;耦合缝隙的上方为谐振腔,将耦合缝隙的位置设置在谐振腔下表面的中心位置;经过耦合缝隙激励,矩形谐振腔体内部可产生强谐振,谐振腔将能量信号均匀输送到4 个辐射缝隙处。

谐振腔内部的电流分布如图3 所示。

从图3 可以看到,谐振腔内的电场呈对称性分布,红色区域显示腔体内壁的极化面一侧直角边处电场强度较大,而辐射缝隙作为谐振腔体表面的开缝结构,通过扰动腔体的表面电流产生辐射,因此缝隙源的辐射效率并不高。为了进一步提高缝隙源辐射的定向性,在其上表面加载了辐射喇叭结构,可将该结构视为二次辐射源,在不增加辐射面积的条件下,有效提高天线的口径效率。

图3 2×2 辐射子阵列谐振腔的电流分布Fig.3 The current distribution of the resonator of the 2×2 radiative sub-array

为了保证阵列天线的方向图不出现栅瓣,其辐射单元的间距应小于最高工作频段的对应波长。

因此,考虑到该款波导缝隙阵列天线设定的工作频率是14.5~15.35 GHz,因此将天线的单元间距设定为13.75 mm,可获得较好的方向图幅度包络分布。

各项结构参数值的设定如表1 所示。

表1 2×2 辐射子阵列的结构参数Tab.1 Structural parameters of the 2×2 radiative sub-array单位:mm

其中,A为辐射喇叭的高度,B为耦合缝隙的高度,C为谐振腔体的高度,D为激励缝隙高度,E为波导高度,F为2×2 辐射子阵列中的单元间距。

天线的中心频率设定为14.925 GHz,通过HFSS 对辐射子阵列的驻波比(VSWR)进行仿真,仿真结果表明,谐振腔体高度C的尺寸变换对天线的工作带宽影响较大。C为不同数值时天线的驻波比曲线如图4 所示。

可以看到,随着腔体高度的逐渐减小,天线的驻波比带宽逐渐变宽,考虑到机械加工的容差对天线性能的影响,以及其他参数与腔体高度之间的相关影响,选择2.5 mm 为最终的谐振腔体高度,此时2×2 辐射子阵列VSWR≤1. 5 的相对带宽可以达到22%。

图4 2×2 辐射子阵列的驻波比Fig.4 The VSWR of the 2×2 radiative sub-array

接下来对2×2 辐射子阵列的主极化和交叉极化辐射方向图进行仿真分析,仿真结果如图5 所示,可以看到,交叉极化电平在法线辐射方向低于-50 dB。

图5 2×2 辐射子阵列主极化、交叉极化方向图Fig.5 The polarization pattern of the 2×2 radiative sub-array

基于2×2 辐射子阵列电磁结构,采用电磁全波分析设计方法,对16×16 波导缝隙阵列结构进行仿真分析。

16×16 波导缝隙阵列由波导并馈网络和子阵列组成,天线结构的主材料为金属铝,16×16 阵列的回波损耗随频率变化的响应曲线如图6 所示,可以看出,回波损耗在14. 5~15. 35 GHz 的工作频带内持续小于-15 dB。

图6 16×16 波导缝隙阵列的回波损耗仿真Fig.6 The return loss simulation of the 16×16 waveguide slot array

进一步对16×16 波导缝隙阵列的辐射方向图进行仿真,结果如图7 所示。

14.5 GHz 频点对应的方向性系数为33. 45 dB,增益为33. 25 dB,口径效率为82%;15. 35 GHz 频点对应的方向性系数为33.65 dB,增益为33. 25 dB,口径效率88%,其中,金属导体损耗0. 22 dB。

在整个14. 5~15. 35 GHz的工作带宽内,16×16 波导缝隙阵列天线的增益大于32.2 dB,口径效率大于82%。

与传统的波导缝隙阵列天线相比,具有更宽的工作带宽,图中出现工作频带内增益数值随频率呈现波动的情况,主要是由天线本身回波损耗的频响与阵列单元间距近似一个自由空间的波长影响所致。

图7 16×16 波导缝隙阵列的方向性系数Fig.7 The directivity coefficient of the 16×16 waveguide slot array

3.1 天线的加工

为了更好地验证仿真设计的结果,对上述16×16 波导缝隙阵列天线进行实物加工,并通过低温焊接加工技术将3 层铝材结构组装在一起。

考虑到加工过程中会产生容差和装配误差,在设计时将天线的整体尺寸误差设定为20 μm,因此在加工过程中要补偿相应的误差。

实际加工出的天线样件如图8所示,每层天线的厚度4~6 mm。

由于大面积铝材的强度较低,加工时在每层铝片结构体上都设置有定位销钉,用于装配时实现较高的装配精度,同时也可以避免由电磁信号的不连续损耗及电磁泄露导致的天线增益下降。

图8 天线加工样件Fig.8 The antenna processing sample

3.2 回波损耗测试

使用矢量网络分析仪对天线样件进行实际测试,并将实际测试结果与前期仿真结果进行对比分析。

图9 给出了16×16 波导缝隙阵列天线回波损耗的仿真和实测对比曲线,由于存在加工误差,导致仿真的数值和实测结果存在一定的偏差,但是偏差保持在允许的范围之内。

从图9 可以看出,驻波比小于2. 0 的天线相对带宽为20%,同时在14. 5 ~15.35 GHz 的范围内,驻波比保持小于1.5。

图9 16×16 波导缝隙阵列的回波损耗实测与仿真对比Fig.9 Comparison of the measured and simulated return loss of the 16×16 waveguide slot array

天线的装配误差主要在二维平面方向上,为了进一步分析天线加工误差带来的影响,以误差值为变化量,分别仿真其为20,50,100 μm 时天线的回波损耗参数,如图10 所示。

由仿真结果可以看出,回波损耗的曲线基本不受误差量的影响,曲线形状几乎没有太大变化。

图10 16×16 波导缝隙阵列天线的回拨损耗加工误差仿真Fig.10 Simulation of the effect of processing error on the return loss of the 16×16 waveguide slot array

3.3 方向性、增益、口径效率测试

在微波暗室中,对16×16 波导缝隙阵列天线的方向性系数、增益和交叉极化等参数指标进行测试。经过计算,天线的口径面积为0.07 m2,并以此为基础估算天线的口径效率。

经过测试,天线增益与口径效率随频率变化的示意如图11 所示。

由图11 可以看出,该天线在最低频点14. 5 GHz 处,对应的增益为32. 2 dB,其口径效率为82. 2%;在最高频点15.35 GHz 处,对应的增益为32.3 dB,其口径效率为82.4%;在整个14.5~15.35 GHz 的工作频带内,天线增益均大于32. 2 dB,带宽内口径效率大于80%,同时带宽内交叉极化电平低于-30 dB。

图11 天线增益与口径效率Fig.11 The antenna gain and aperture efficiency

3.4 辐射方向图

天线整体的馈电网络采用的是波导形式的并馈网络,具备等幅、同相分布的特征,其辐射方向图的理论副瓣电平为-13.4 dB。

经过实际测试,在图12 中给出了其E 面、H 面在工作带宽内高(15.35 GHz)、中(14.925 GHz)、低(14. 5 GHz)3 个频点的辐射方向图。

由图12 可以看出,在整个工作带宽内,方向图基本没有栅瓣出现,波瓣的分布没有出现明显的变化,其第一副瓣电平为-13 dB,符合等幅、同相激励阵列天线辐射方向图中副瓣的分布特性。

图12 E 面/H 面的测试方向图Fig.12 The test pattern of E-plane and H-plane

3.5 样件的实际测试结果

通过对样件的实际测试结果可以得出:该16×16 波导缝隙阵列天线在14.5~15.35 GHz 的工作带宽内,驻波比小于1.5,天线的口径效率大于82%,带宽内增益大于32. 2 dB,带宽内交叉极化电平小于-30 dB,样件实测结果与传统天线比较如表2所示。

表2 样件实测结果与传统天线比较Tab.2 Comparison of the sample with traditional antenna

本文提出并设计了一种加载辐射喇叭单元的高效率、低轮廓、高增益的16×16 波导缝隙阵列天线,首先对基本的2×2 辐射子阵列的电磁结构、辐射机理等原理特点进行分析,并通过Ansoft HFSS 对其关键性能指标进行扫描分析,进而给出了仿真结果;基于对2×2 辐射子阵列的仿真分析结果,进一步重点分析了16×16 波导缝隙阵列天线的电磁特性,并通过样件的加工,以及对样件回波损耗、口径效率和辐射方向图等参数的实际测试,研究分析了基于低成本、低温焊接技术的相关加工和装配误差对该天线电气性能的影响。

通过对样件的实际测试结果表明,该天线技术非常适用于大型有源阵列天线系统,可实现高频电磁波的有效接收与发射,其本身具有高效率、低成本、易安装和轻质等优势,具有非常好的应用前景。

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