一种毫米波波导缝隙天线的研究

钱俊辉 卿海

1. 国内外研究状况

毫米波是介于微波与光波之间的电磁波，波长范围为1-10 mm。从频谱分布来看，毫米波介于微波和红外线之间，在一定程度上兼有二者的优点。考虑到在大气传播过程中产生的大气吸收，毫来波大气窗口主要有四个，分别位于35 GHz、94GHz、140 GHz和220 GHz，总带宽可达到135 GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍。另外相对于徵波，毫米波元器件的尺寸要小得多，重量更轻，更容易实现小型化。同时毫米波系统机动性能好，可以提供良好的分辨率和较高的精度，并不易受到电子干扰，这些特点正是精确制导武器和各种飞行器所必须具备的。此外，与红外系统相比，毫米波系统虽然分辨率差一些，但能够提供更好的穿透烟、雾、灰、尘的能力，并可以在夜间工作，具有较好的全天候工作能力由于毫米波兼具微波与红外线的优点，在毫来波雷达、毫米波电子对抗、导弹制导、导航、电子情报和电子支援侦察等军事方面得到了广泛应用。通过利用大气窗口，毫米波频率可以实现大容量的地面中继通信或卫星-地面通信;毫米波天线的窄波束和低旁瓣特性可以用于研制低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。毫米波能够穿透大气层等离子体，远程导弹或航天器重返大气层时通常利用毫来波段进行通信和制导毫米波天线广泛应用于制导雷达、精密跟踪雷达中，具有剖面低、重量小的优点，一般采用微带阵列、波导缝隙阵列来实现。根据应用需求选用不同的阵列形式，微带阵列具有带宽宽、损耗大的特点，多用于天线增益要求不高的场合;波导缝隙阵列具有带宽较窄，损耗较小的特点，多用于窄带且天线增益要求高的场合。

毫米波天线国内外有很多成熟的应用，其中微带天线效率为30%左右，带宽可达10%～30%。波导缝隙阵列效率可达60%以上，但由于采用串并結合的馈电方式，带宽较窄，一般为3%左右，可以通过减小子阵规模、增大天线子阵数量的方式扩展天线带宽，但也仅仅能扩展为6%左右。动中通天线采用全并馈的喇叭阵或缝隙阵实现，带宽可达20%左右，但副瓣较高、剖面较波导低剖面缝隙天线高一倍以上。

2. 研究内容与关键技术

研究内容主要有以下三方面的内容：

（1）宽带低剖面波导缝隙天线设计技术。为展宽普通波导缝隙天线的工作带宽，需采用全并馈的设计方案，子阵内部馈电网络也必须采用并馈方式。由于子阵空间太小，不能采用波导T功分器独立给子阵内部每个单元馈电，需研究一种子阵馈电结构来展宽天线带宽。

（2）大型波导馈电网络设计技术。全阵面由256个子阵组成，1/4阵面由64个子阵组成，需要1分64的不等功分器对每个子阵进行馈电。由于子阵所处位置不同，每个子阵所需的激励功率差异很大，采用普通的无隔离端口波导T功分器不能满足大功分比的宽带要求，同时，随着馈电网络级数的增加，馈电网络的带宽将急剧变窄。为了满足馈电网络的带宽要求，需采用波导E面耦合器代替波导T接头，同时要增加调相结构来满足相位一致性的带宽要求。

（3）毫米波悬置带线馈电技术。悬置带线同空气带状线一样具有较低的传输损耗，但由于采用印制加工工艺，成本较低，工艺稳定，是馈电网络设计的首选方案。由于我们从未采用悬置带线设计过毫米波馈电网络，可以通过该课题研究悬置带线馈电在毫米波段的性能，为以后的设计提供技术支撑。

关键技术：一种毫米波高效率波导缝隙天线研究包含宽带缝隙阵技术和大型波导馈电网络设计技术两项关键技术。

宽带缝隙阵技术。毫米波高效率波导缝隙天线均采用波导缝隙阵实现，由于天线口径较大（相对工作波长），天线被划分为多个子阵，子阵为波导驻波阵。天线工作带宽主要受天线子阵带宽的限制，目前产品的工作带宽为3%左右。展宽天线带宽很容易想到的解决办法就是在原产品的基础上将天线子阵进一步减小，我们在前期的工作中采用4×4驻波阵为天线子阵进行了仿真设计，并加工了8×8阵列进行了实验验证，天线带宽展宽为7%左右。采用这种方法设计的天线将导致天线剖面增加、加工难度以及加工成本上升。另外一种解决办法就是天线子阵内部采用并联方式馈电，由于并联馈电要求子阵内各单元等电长度馈电，馈电结构复杂，如何在一个子阵内的狭小空间内实现对各单元馈电是比较困难的问题。结合前面的研究结果，拟采用悬置带状线功分器或波导腔结构进行子阵内馈电结构设计。

大型波导馈电网络设计技术。波导馈电网络的幅相精度直接影响天线的性能参数。同原天线相比，波导馈电网路分配路数增加，（由16路增加为64路）功分器各输出端口功率分配差异变大，单个功分单元达到1：5以上，如采用普通T接头显然功分器的幅度分配精度不满足要求。为了实现大功分比的分配要求，需要采用耦合的方式进行功分器设计。但由于耦合器输出端口存在90°相位差，通过增加调相结构进行相位匹配。

3. 具体设计和实现方法

通常天线实现方式有平面微带阵列、基片集成波导缝隙阵列、波导缝隙阵列三种方式。随着波导缝隙天线焊接工艺的突破，决定采取波导缝隙天线阵面和全波导馈电的方式进行天线的研究，整个天线设计主要分为天线阵面设计和馈电网络的设计两个方面。

（1）天线阵面的设计。经过分析计算将天线阵面划分为4个象限，每一个象限分为64个子阵，每个子阵是由2×2个小阵组成，每个小阵有2×2个缝隙单元，整个天线阵面由64×64=4096个缝隙单元组成。划分若干子阵的目的是为了拓展天线的频带宽度，满足带宽要求。

（2）馈电网络的设计。由于天线阵面划分为了4个旋转对称的阵面，馈电网络也就对应了4个象限，我们取其中一个象限进行设计，设计完成后再将其合成即可完成整个阵面馈电网络的设计。对于一个象限进行研究，其功分网络包括有54个H-T分支及9个波导分支线耦合器共63个波导功分器，组成1个一分六十四不等功分器。分支线耦合器的作用主要是来完成大功分比的功分。区别于H-T分支，分支线耦合器共有四个端口，比H-T分支多了一个负载端口，并且由于耦合结构带来的输出端口相位斜率上的差异，还加入了调相结构来调整相位斜率。采用副瓣电平为-32dB的可分离型泰勒分布，计算得到功分器输出端口的归一化能量，然后换算成每一个单独功分器的功率比，通过比较计算可以将相同功分比的功分器进行统一编号，这样就将63个功分器简化成7种功分器的设计。

整个天线共分四个象限，由四个子阵组成，一个象限阵面由4层构成，整体外型寸及布局图如图1所示：

参考文献

[1]李晓川.波导缝隙天线极化特性分析与关键技术研究.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2] H.莫特.天线和雷达中的极化.北京：电子科技大学出版社，1989.

[3]林昌禄.天线工程手册.北京：电子工业出版社，2002.

中国兵器装备集团（成都）火控技术中心