学术：Ka波段片上喇叭天线阵列设计

Original 2016-12-13 ☞ 信息与电子前沿

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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

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.