Ka波段片上喇叭天线阵列设计

王志远,梁仙灵,金荣洪,耿军平,郝 强

(1.上海交通大学电子工程系,上海 200240；2.国网丹东供电公司,辽宁 118000)

工程与应用

Ka波段片上喇叭天线阵列设计

王志远1,梁仙灵1,金荣洪1,耿军平1,郝 强2

(1.上海交通大学电子工程系,上海 200240；2.国网丹东供电公司,辽宁 118000)

研究通过多层介质堆叠并结合金属化通孔,构建了具有角锥喇叭形式的阵列单元。结合基片集成波导功分网络,设计了一种Ka波段的二元、四元片上喇叭阵列天线,仿真与实测吻合较好,结果表明,二元片上喇叭阵列的阻抗带宽(S11≤-10dB)达17.8%,覆盖频率范围27.7～33.1 GHz,阻抗带宽内仿真增益高于9.7 dBi。四元片上喇叭阵列的阻抗带宽(S11≤-10 dB)达17.3%,覆盖频率范围27.0～32.1 GHz,阻抗带宽内仿真增益高于13.3 dBi。

基片集成波导；功分网络；喇叭阵列

0 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和更高的传输速率，并且有助于减小地面终端天线尺寸[1]。但Ka波段频率高，传统的一些馈电网络如微带线等将产生较高的插入损耗。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[2，3]，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≤-10 dB）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11.7 dBi。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17.8 dBi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11 dBi。文献[8]利用多层介质堆叠结合金属化通孔，构建了一种60 GHz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，阻抗带宽内仿真增益高于8.5 dBi，仿真辐射效率高于83%。基于上述单元的类似设计，结合基片集成波导功分网络，研究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，喇叭单元口径尺寸分别为:6.80 mm×6.20 mm、5.20 mm× 4.60 mm与3.60 mm×3.00 mm，两单元的间距为9.00 mm。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0.03 mm时，回波特性受到的影响较小，然而当空气间隙达到0.09 mm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~ 33.1 GHz范围内，S11低于-10 dB，相对带宽约为17.8%。

三个重要频点（28.5 GHz、30.5 GHz、32.5 GHz）的仿真与实测远场辐射方向图，如图4所示实测方向图与仿真结果较为一致，实测E面3 dB波束宽度约为80度，H面3 dB波束宽度约为30◦。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。

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

图4 二元阵列的测试与仿真远场方向图

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7.78 mm，E面单元间距为8.40 mm。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和图8所示。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27.0~32.1 GHz范围内，S11低于-10 dB，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 四元阵列的测试与仿真远场方向图

三个重要频点（28.0 GHz、30.0 GHz、32.0GHz）的仿真与实测远场辐射方向图如图9所示，实测方向图与仿真结果基本吻合，实测E面旁瓣电平低于-9.0 dB，3 dB波束宽度约为31度，H面旁瓣电平低于-13.8 dB，3 dB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10所示。阻抗带宽内，增益高于13.3 dBi，效率高于78%。

图10 四元阵列的仿真增益与效率

3 结 语

研究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27.7~33.1 GHz，阻抗带宽内仿真增益高于9.7 dBi。设计的四元阵，实测相对阻抗带宽达17.3%，覆盖频率范围27.0~32.1 GHz，阻抗带宽内仿真增益高于13.3 dBi。

[1]刘涛.Ka波段卫星通信雨衰与抗雨衰问题的研究[D].东北大学，2008.

[2]CASSIVI Y，PERREGRINI L，ARCIONI P etc.Dispersion Characteristics of Substrate Integrated Rectangular Waveguide[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2002，12（9）:333-335.

[3]LIH，HONGW，CUIT Jetc.Propagation Characteristics of Substrate Integrated Waveguide based on LTCC[C]// Microwave Symposium Digest，2003 IEEE MTT-S International.2003，3（3）:2045-2048.

[4]HUA G，HONGW，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 TY，HONGW，ZHANGY.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 IEEEAntennas and Propagation Society International Symposium（APSURSI）.2014:1292-1293.

王志远(1991—),男,山东枣庄人,硕士研究生,主要研究方向为基片集成波导、微带天线设计等；

E-mail：zhiyuan91@sjtu.edu.cn

梁仙灵(1978—),男,浙江台州人,副教授,主要研究方向为电磁场理论、现代天线技术等；

金荣洪(1963—),男,江苏无锡人,教授、博士生导师,主要研究方向为电磁场理论、现代天线技术、电磁计算方法、天线信号处理、智能天线及相控阵天线等；

耿军平(1972—),男,陕西宝鸡人,副教授,主要研究方向为电磁场理论及现代天线技术,电磁计算方法,信号处理等；

郝 强(1978—),男,高级工程师,主要研究方向为电子系统自动化。

The Design of On-Chip Horn Antenna Array in Ka-band

WANG Zhi-yuan1，LIANG Xian-ling1，JIN Rong-hong1，GENG Jun-ping1，HAO Qiang2
（1.Shanghai Jiao Tong University，Department of Electrical Engineering，Shanghai200240；2.State Grid Dandong Electric Power Supply Company，Liaoning 118000）

In this paper，two-and four-element array antennas are designed for Ka-band applications，where the elementadopts on-chip horn structure realized by stackingmulti-layered substrate andmetal via process，and the feed network is based on SIW（Substrate Integrated Waveguide）.The simulated results agree well with themeasured ones.The results demonstrate that the 2-element array achieves the impedance bandwith（S11≤-10 dB）of 17.8%，covering the frequency range of 27.7-33.1 GHz，and the gain is over 9.7 dBi.The 4-elementarray obtains the impedance bandwidth（S11≤-10 dB）of17.3%，covering the frequency range of 27.0-32.1 GHz，and the gain is over 13.3 dBi.

Substrate integrated waveguide；Power divider network；Horn array

TN602

A

1673-5692（2015）02-185-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.013

2015-01-18

2015-02-08

国家自然科学基金（61201058，61471240），上海市教育委员会科研创新项目（12Z112030001），教育部留学回国人员科研启动基金，SMC—晨星优秀青年教师计划，教育部国防重点实验室主任基金。