基片集成波导正弦渐变槽单脉冲天线.pdf

第 36 卷第 9 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.36No.9 2014 年 9 月 Journal of Electronics Substrate Integrated Waveguide (SIW); Monopulse; Coupler 1 引言 近年来，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)以其低损耗、 易集成等优点而得到 了快速的发展， 被广泛应用于各类天线的设计中[1 7]− 尤其是将 SIW 作为基片类端射行波天线的馈电结 构，既可以保留天线单元原有的优点，还可以免于 设计巴伦等结构，从而简化设计流程而渐变槽天 线(Tapered Slot Antenna, TSA)以其波束窄、增益 高、频带宽的优点已经得到了广泛应用[8 14]−2005 年，正反直线型渐变槽天线(Antipodal Linearly 2013-10-31 收到，2014-02-14 改回 国家自然科学基金(61372033)和毫米波国家重点实验室基金 (K201201)资助课题 *通信作者：邹雄 zouxiong0522@ Tapered Slot Antenna, ALTSA)首次利用 SIW 来馈 电，其组成的 1×8 天线阵列，相对带宽超过 20%， 10.0 GHz 处的增益达到了 18.76 dBi[10]。

其后，以 此类天线作为基础，利用 SIW 窄壁耦合的 3 dB 电 桥和 90°移相器设计 SIW 的 180°定向耦合器，提出 了新的宽带 ALTSA 单脉冲天线，其在 33~40 GHz 的工作频带内，和波束最高增益达到了 16.13 dBi， 差波束零深达到了-38.1 dB[11]以 SIW 馈电的 ALTSA 甚至发展到了 100 GHz 的频率上，可以用 于高速无线通信系统中[12] 从 SIW-ALTSA 出发， 设计 SIW 正弦渐变槽天 线(Antipodal Sinusoidally Tapered Slot Antenna, ASTSA)，为了拓展带宽，提出了 SIW 非对称型正 弦渐变槽天线，并设计了半模基片集成波导(Half 2228 电 子 与 信 息 学 报 第 36 卷 Mode Substrate Integrated Waveguide, HMSIW) 宽带单脉冲馈源，从而得到了宽带单脉冲天线，实 验结果验证了设计的有效性。

2 SIW 正弦渐变槽天线 SIW-ALTSA 如图 1(a)所示，浅色部分为上表 面金属层，深色部分为下表面金属层，渐变槽的上 下表面关于辐射方向对称天线设计的工作频带主 要在 X 波段，基片采用环氧玻璃介质板，总宽度为 W=32.0 mm， 厚度为 1.0 mm， 相对介电常数为 4.6， 损耗角正切为 0.001 SIW 是由两排直径为 0.6 mm、 周期为 1.0 mm 的金属化通孔组成，宽度为 a=12.4 mm，长度为 l=14.0 mm，则等效为矩形金属波导 的宽度为 11.95 mm，截止频率为 5.85 GHz[15, 16] 为方便测试，采用微带-SIW 转接器进行过渡，50Ω 微带线宽为 w50=1.8 mm， 过渡线长度为 lt=9.0 mm， 最大宽度为 wS=4.4 mm在天线的设计过程中，将 渐变槽金属面相对于 SIW 的缩进宽度 b，槽的长度 L1和开口处槽的宽度 w 设为变量，进行仿真优化， 得到具体尺寸为 b=3.4 mm，L1=50.0 mm，w=17.0 mm 天线的回波损耗仿真结果如图 2(a)所示， 相对 带宽为 48.3%(9.20~15.05 GHz)。

为拓展工作频带，考虑将直线型渐变槽改为曲 线型渐变槽，如图 1(b)所示，渐变槽的金属边沿改 为正弦曲线，此类天线分为两种，一种是对称型 ASTSA，另一种是非对称型 ASTSA，区别在于渐 变槽是否关于辐射方向对称 若以 SIW 末端中点为 原点，以垂直于基片向上方向为 x 轴，与 SIW 宽边 平行方向为 y 轴，天线辐射方向为 z 轴建立直角坐 标系，则渐变槽上下表面曲线分别表示为 1131 31 312sin, 222LywbLzbywbwπ⎛⎞−+⎟⎜⎟=+−≤≤⎜⎟⎜⎟⎜+⎝⎠(1) 2232 23 322=sin+, 222LywbLzwybbwπ⎛⎞−−+⎟⎜⎟−≤≤⎜⎟⎜⎟⎜+⎝⎠(2) 图 1 SIW 正反渐变槽形天线 当渐变槽关于 z 轴对称时，L1=L2, w1=w2, b1=b2经过仿真优化，确定对称型 ASTSA 的尺寸 为：L1=50.0 mm, w1=10.0 mm, b1=6.0 mm, b3=6.0 mm其他尺寸参数与 ACTSA 相同在非对称型 ASTSA 中， 渐变槽的下表面金属面积小于上表面金 属层，其尺寸大小为：L2=42.0 mm, w2=6.0 mm, b2=6.0 mm, b3=5.0 mm。

两种 ASTSA 和 ALTSA 的仿真结果示于图 2 对称型ASTSA在8.85~16.05 GHz范围内的回波损 耗优于 10 dB，相对带宽为 57.8%，通带内最高增 益为 9.6 dBi(14.7 GHz 处)非对称型 ASTSA 的相 对带宽达到了 76.7%(7.20~16.15 GHz)，通带内最 高增益为9.5 dBi(11.7 GHz处) 由图2(b)可以看出， 对称型 ASTSA 和 ALTSA 具有相近的增益大小， 在 10.0 GHz 之前增益逐渐增高，在 9.4~15.4 GHz 内 均高于 8.0 dBi而非对称型 ASTSA 虽然在 3 种天 线中的工作带宽最宽，但是通带内增益并不稳定， 在 5.0~9.5 dBi 之间波动 3 HMSIW 单脉冲馈电网络 根据传统矩形波导 3 dB 耦合器和 90°移相器的 工作原理，可以方便地设计 SIW 的 180°定向耦合 图 2 3 种渐变槽形天线仿真结果 第 9 期 邹 雄等： 基片集成波导正弦渐变槽单脉冲天线 2229 器[11]。

由于 SIW 传播模式为 TEm,n模，而 HMSIW 传播模式为0.5,TEmn−模，当两者其它尺寸参数一样 时， 将 SIW 上表面金属从中线切割， 得到的 HMSIW 具有更宽的单模传输通带，因此利用 HMSIW 设计 的微波电路往往具有比 SIW 更宽的工作带宽 HMSIW 单脉冲馈电网络如图 3 所示，端口 1 和端口 2 为输入端，经过 HMSIW 的 3 dB 电桥和 90°移相器后由端口 3 和端口 4 输出， 中心频率设置 为 10.0 GHz当信号由端口 1 输入时，输出端信号 等幅同相，当信号由端口 2 输入时，输出端信号等 幅反相为避免耦合器内出现 TE30模，耦合段的宽 度a'要小于 a，为 11 mm移相器中两条 HMSIW 分支的宽度分别为 a1=7.4 mm, a2=5.0 mm为使电 磁波平稳传输从而减小回波损耗，在移相器的 90° 转弯处设置了两个金属化孔，半径分别为 r1=0.6 mm, r2=0.5 mm输出的 HMSIW 分支距离为 l6=34.8 mm，这样方便天线单元进行布阵为达到 180°移相的目的，耦合段长度 l2和移相器长度 l4应 分别满足的条件为 ()()2 1020112TETE2gglππλλ⎛⎞⎟⎜⎟⎜−=⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠(3) ()()4 211122gglaaππλλ⎛⎞⎟⎜⎟⎜−=⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠(4) 式(3)和式(4)中，()10TEgλ和()20TEgλ是宽度为2a' 的SIW在TE10模和TE20模下的波导波长，()1gaλ和 ()2gaλ分别是宽度为a1和a2的HMSIW在主模下的 波导波长。

通过式(3)和式(4)可以初步确定 l2和 l4 的大小，然后利用仿真软件进行优化，得到的具体 尺寸为 l2=17.0 mm, l4=23.0 mm该馈电网络的其 他尺寸参数为 wHS=3.4 mm, l1=11.2 mm, l3=11.0 mm, l5=10.8 mm HMSIW 单脉冲馈电网络的仿真结果示于图 4， 在 8.5~13.0 GHz 内，两输入端的回波损耗和隔离 度均大于 10 dB，电压传输系数最大为-4.1 dB，即 插入损耗最小为 1.1 dB随着频率的升高插损逐渐 增大，在 13.0 GHz 处端口 4 的插损达到了 4.0 dB 其原因一方面是由于 HMSIW 为半开放结构，能量 图3 HMSIW单脉冲馈电网络 辐射较为严重，另一方面是由于传输线较长使得介 质损耗增大在 9.0~12.0 GHz 范围内，输出端传 输系数较为稳定，约为-5.1 dB，波动在±0.8 dB 之 内，当信号从端口 1 输入时，输出端相位差在 -5.0°~7.4°之间，当信号从端口 2 输入时，输出端 相位差在 171°~184°之间， 在 10.0 GHz 处的相位差 分别为 7.2°和 182.2°。

文献[11]中利用 SIW 实现的 180°定向耦合器虽然具有较高的电压传输系数(约 为-4.0 dB)， 但其仅在 8.8%(34.2~38.0 GHz)的带宽 内，输出端相位差分别在 0°±10°和 180°±10°内 而用 HMSIW 实现的 180°定向耦合器虽然插入损耗 略高于 SIW 耦合器，从而会影响天线的辐射损耗， 但是其相位差的不平衡度大大减小，使得其相对带 宽大大扩展，达到了 30%，能够较好地应用于宽带 单脉冲天线的馈电系统中 4 SIW-ASTSA 单脉冲天线 由 HMSIW 的 180°定向耦合器和 SIW-ASTSA组合的单脉冲天实物如图 5 所示，天线单元与耦合器之间采用一线段微带线相连，这样可以使得在较高频率下(f > 11.8 GHz)电磁场的能量主要集中在SIW 中线附近，从而减小 HMSIW 与 SIW 直接过渡时产生高次模的影响 过渡段微带线的长度为 18.0 mm，最窄处位于 中点上，宽度为 2.0 mm，两侧宽度分别同于 wHS和 wS两天线单元的距离为 32.8 mm，端口 1 与端口 2 分别为和端口与差端口SIW 对称型和非对称型 图 4 HMSIW 单脉冲馈电网络的 S 参数 2230 电 子 与 信 息 学 报 第 36 卷 图 5 SIW-ASTSA 单脉冲天线实物图 ASTSA 单脉冲天线的 S 参数测量结果示于图 6。

对 称型天线输入端的回波损耗和隔离度在 9.5~12.6 GHz 内均大于 10 dB，相对带宽为 28.0%，而非对 称型天线的相对带宽为 33.9%(9.3~ 13.1 GHz)，可 见两种单脉冲天线仍然继承了各自天线单元的特 点， 即非对称型天线的工作频带要宽于对称型天线 由天线增益图7可以看出，对称型ASTSA单脉 冲天线在9.2~12.4 GHz内和波束增益大于8.5 dBi， 其中在10.8 GHz时达到最大，为9.7 dBi非对称型 天线在8.4~12.3 GHz内和波束增益大于8.5 dBi，其 中在8.6 GHz时达到最大，为10.4 dBi，但在各自通 带内的增益均在9.0 。