基于波导功分馈电的CTS阵列天线设计

单延军，李 萍

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

美国于20世纪90年代初提出了连续横向枝节（continuous transverse stub，CTS）阵列天线[1-3]。国外对平板波导CTS阵列天线的发展相对比较早，国内在这方面的研究虽然时间不长，但近些年也有了长足的发展。CTS天线阵列是由平板波导演变而来，采用准TEM模进行馈电，主要结构是由多个平行横向开口的矩形波导组成。电磁波从平板波导上开口的矩形波导长缝隙辐射出去，并且可以通过在横向开口的矩形波导增加串联枝节来优化阻抗匹配。在过去的20多年中，CTS阵列天线的发展衍生出了很多类型并应用在不同领域。除矩形波导外，还有共面、同轴等其他形式波导[4-5]。CTS阵列天线相比常规天线具备许多优点，例如它能实现低剖面、高效率的波束扫描等，同时，增加辐射枝节的数量便可提高其增益的特性使得该类型天线自引入以来就得到了业界广泛关注。尽管它们可能还存在制造和组装复杂等方面的不足，但是随着加工方式的多样性和更简洁的设计方式的出现，越来越多的雷达、通信等系统会使用这种天线。由于它们的传输损耗很小，可以实现线极化、圆极化等多种方式，同时具有很高的馈电效率和口径效率，现已成为高增益天线研究的一个极为重要的方向，而且还可以工作在高频带上，使得这种阵列天线成为毫米波、太赫兹波应用中高效率和高增益平面天线的候选者之一。CTS阵列天线在阻抗匹配、馈电网络等方面依然存在改善的空间[6-7]。

本文针对基于波导功分馈电的CTS阵列天线作了研究。分析了CTS天线基本单元，设计了CTS天线平行板波导并馈网络和相应的波导功分馈电结构并仿真优化。通过不断改进相关参数来提高天线在阻抗匹配、辐射特性等方面的性能。

1 CTS 阵列天线设计

1.1 CTS 天线基本单元分析

CTS天线的主要结构是由平行板波导构成，是一种平板阵列天线，通常是在平行板波导的上下其中一侧开有连续的、横向的开路长槽枝节，在平行板波导的左右其中一端进行馈电。平面波在平行板波导内传播，传播过程和波导缝隙天线的辐射原理相似，都是从漏波天线的理论出发，横向开口的枝节会切断上平行板表面的电流分布，平行板波导内部传输的电磁波通过枝节耦合并向外辐射。由于CTS天线辐射枝节是连续横向开口的开路长槽枝节缝隙，因而在研究的过程中发现，单一枝节辐射能力不强会导致其与空气阻抗不相匹配，会提高反射系数，从而致使天线整体的驻波值变差，导致天线的实际增益降低。多级串联的辐射枝节的组合能够有效改善辐射端口匹配性能，因为天线的效率和增益会随着每个枝节辐射能力的强弱变化而变化，通过控制每个枝节的辐射能力，可以灵活调整天线整体的效率和增益，以满足实际应用场景的具体需求。

图1为CTS天线基本单元的结构模型，电磁波在平行板波导内传输，辐射枝节切断纵向电流造成平行板波导内场和电压的改变，因此根据传输线理论，把它等效为串联阻抗，其基本单元等效电路模型及等效电路分别如图2、图3所示。

图2 基本单元等效电路模型Fig. 2 Equivalent circuit of the basic model

图3 基本单元整体等效电路Fig. 3 Overall equivalent circuit of the basic model

设枝节传输线的特性阻抗为Zh，图2中枝节等效电路模型中的电长度θ=βh（β为传输线的相位常数，h为辐射单元枝节的高度），负载反射系数用Γs来表示，图3中Zse为等效电路中的输入阻抗。

将上式两边同时除以特征阻抗Z0可以得到

分析图2中的模型，可以知道单元负载阻抗为Zh=Zse+Z0，由此我们可以进一步推出相关的散射参数，即S参数（S11为输入反射系数，S22为输出反射系数，S12为反向传输系数，S21为正向传输系数）：

要了解枝节辐射能量，我们还要定义其有效耦合系数为k，在理想情况下，有

由上面的公式推导可以知道，辐射单元枝节的高度h和枝节间隙宽度d的变化会影响到枝节电长度βh和相应特性阻抗Zh的变化。枝节间隙宽度d和平行板波导高度h0的比值同样也会导致m的改变，因此我们可以通过改变d和h0的比值来改变k的值，即枝节辐射能量的值。由于平板波导CTS阵列天线的工作频率和平行板波导内有无填充介质并不会影响到天线辐射能量的大小，所以CTS阵列天线显示出良好的宽带性能。

1.2 CTS 阵列天线整体设计

根据CTS基本单元等效电路原理以及CTS阵列天线的工作原理，本文设计了一种基于波导功分馈电的高增益高效率并可实现双频段的CTS阵列天线，天线工作在W波段。图4为CTS阵列天线整体结构图，天线整体尺寸为40 mm×40 mm×25 mm。该天线主要分为两部分，即CTS天线平行板波导并馈网络部分和相应的波导功分馈电网络部分。

图4 CTS 阵列天线整体结构模型Fig. 4 The 3-D view of CTS array antenna

图5 为CTS阵列天线平行板波导并馈网络的正视图，这一部分主要分为辐射枝节和平行板波导并馈网络。平行板波导并馈网络主要由一分二波导功率分配器即一个T型节和两个直角弯头组成。平行板波导的四级功率分配器包含四个匹配部分，需要确保在整个工作频段范围内实现良好的阻抗匹配。由于是一分二的波导功率分配器多级连接，因此整个辐射枝节的数量是2的整数幂。这种方式可以控制E面旁瓣电平（sidelobe level，SLL）小于-13.5 dB，并且能够提高天线的方向性。本文设计的天线是采用这种平行板波导并馈网络的方式来使能量分配到各级端口，并使能量通过辐射枝节向外辐射。本文设计的关键是需要保证16个辐射枝节辐射出的能量等幅同相。辐射枝节的高度对天线增益和驻波影响并不大，而枝节宽度对增益和驻波值影响较大。为使辐射枝节与自由空间达到良好的阻抗匹配，根据等效电路模型，本文在辐射枝节部分使用了四级串联的结构。辐射枝节的宽度为d0=1.66 mm，相邻两辐射枝节的间距dx=2.26 mm，通过优化，得到辐射枝节四级串联部分的宽度分别为1.66 mm、1.40 mm、0.84 mm、0.80 mm。

图5 CTS 平行板波导并馈网络正视图Fig. 5 The front view of parallel plate waveguide CTS array

图6 为CTS阵列天线的波导功分器馈电结构示意图，（a）为馈电结构的三维图，（b）为馈电结构的俯视图。该馈电结构是基于波导功率分配器和辐射器（即垂直转接波导）的组合，目的是形成线源给平行板波导并馈网络馈电。波导功率分配器为一分八的并馈结构，设置波导功率分配器的最后一级的宽度为da=4.26 mm。波导功率分配器辐射出的波波程相同，相位相同，波的叠加形成平面波，即线性源，经过垂直转接波导传输到平行板波导并馈网络。垂直转接波导的长度与平行板波导的长度相同，D=40 mm，总馈电口采用的是WR-10（2.54 mm×1.27 mm）标准矩形波导口。波导功率分配器结构的整体尺寸为40 mm×20 mm×5 mm。该馈电方式能够有效降低天线整体的结构剖面，实现了天线的小型化。

图6 功分器馈电结构图Fig. 6 The feed structure of a power divider

2 仿真结果

本文采用电磁仿真软件ANSYS HFSS 19进行天线的优化仿真设计。经过对CTS阵列天线辐射枝节和波导功分馈电结构的各项参数优化，最终设计出满足性能要求的天线。图7给出了该天线的S11值，天线在75 ～80 GHz和85 ～89 GHz这两个频带内的S11值均小于-10 dB。图8是工作频率为78.8 GHz的E面辐射方向图，由图可知，在78.8 GHz时，其增益为28.6 dB，对应的天线效率为66.5%，E面旁瓣电平为-14.5 dB，3 dB波束宽度为4.38°。图9是工作频率为87.5 GHz的E面辐射方向图，可以看出，在87.5 GHz时，其增益为28.4 dB，对应的天线效率为51.5%，E面旁瓣电平下降14.3 dB，3 dB波束宽度为4.36°。以上结果可以充分体现出CTS阵列天线的高增益、高效率特性。

图7 CTS 阵列天线的 S11Fig. 7 The S11 of CTS array antenna

图8 CTS 阵列天线 78.8 GHz 方向图Fig. 8 Far-field gain pattern of CTS array antenna at 78.8 GHz

图9 CTS 阵列天线 87.5 GHz 方向图Fig. 9 Far-field gain pattern of CTS array antenna at 87.5 GHz

3 结 论

本文设计了16单元CTS阵列并优化了CTS辐射枝节部分，天线馈电部分采用了功率分配器和辐射器的组合。本文使用电磁仿真软件HFSS对已设计的天线进行建模和仿真，并且在仿真过程中不断地分析仿真结果和优化结构参数。天线整体高度为25 mm，达到低剖面、小型化的要求。天线实现了双工作频带内S11值小于-10 dB，体现了良好的匹配性能，在78.8 GHz与87.5 GHz时的增益都超过28 dB，天线效率也均达到了50%以上，两个频点的旁瓣电平都小于-14 dB，3 dB波束宽度大约都在4.4°左右。仿真结果证明，该CTS阵列天线具有双频段、高增益、高效率、窄波束以及低副瓣的性能。该天线可应用于雷达探测、卫星通信、人体安检等领域。