具有微带转换结构的双面阶梯波导口天线

黄　岩,刘忙龙，黎　雄，纪　涛

(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安　710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安　710065)



具有微带转换结构的双面阶梯波导口天线

黄岩1，2,刘忙龙2，黎雄2，纪涛2

(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)

摘要:针对传统毫米波波导口天线损耗较大、半功率波束宽度较窄和馈电转换结构复杂的问题，提出了具有低损耗微带-波导转换结构的双面阶梯波导口天线。该天线系统采用了优化的矩形双面阶梯波导口结构，并且单片微波集成电路到波导的馈电转换部分采用结构简单的微带转波导结构。仿真和测试结果表明：该结构可以将波导口天线的半功率波束宽度展宽20°左右，同时天线的增益达到7.64 dB，1.6 GHz的带宽内波端口回波损耗低于-25 dB，实现了波束的展宽和较低的回波损耗。

关键词:引信；双面阶梯；转换结构；宽波束

0引言

毫米波具有精度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻、区分金属目标和周围环境的能力强等特点，因此毫米波技术在引信上的应用是近些年国内引信探测器研究的热点话题。矩形波导口天线具有天线口径效率高、高Q值、结构简单紧凑、强度高、安装方便等结构优点，因此成为了毫米波引信探测器的首选。矩形波导口天线系统包括天线和馈电转换部分，天线主要影响天线的波束宽度和增益，馈电转换结构则直接影响天线的效率。标准波导口天线参数固定，这种结构也就使得天线具有了固定的HPBW(半功率波束宽度)，不能做到波束宽度的展宽，而其他金属体天线又具有较大体积，难以满足小型引信探测天线波导体的尺寸要求。MMIC(单片微波集成电路)到波导口的传统馈电转换结构一般采用同轴、鳍线和脊波导转微带几种结构方式[1]。这些过渡结构只能在10%～20%的带宽内做到S11小于-15 dB，而且加工工艺复杂，不易于集成化设计。为了解决标准波导口天线系统波束宽度较窄、损耗大和馈电结构复杂的问题，提出了具有微带-波导转换结构的双面阶梯(H面附加阶梯)波导口天线。

1波导天线结构与馈电方式

1.1标准矩形波导天线

波导口径天线基本是以矩形波导口径天线为主，包括波导矩形波导口天线和喇叭天线。矩形波导是最常见的波导结构，常用作电磁波的传输体。为了满足天线对不同波段的要求，矩形波导口天线通常采用不同的标准波导。K波段一般采用标准波导BJ260或者BJ220两种尺寸的波导。矩形波导作为波导天线其中模式结构比较单一，也有比较成熟的标准波导数值分析方法。采用BJ220波导在作为波导口天线时，其长度为8.636 mm，宽度为4.318 mm，其中传输TE10模。毫米级的尺寸成为了其作为小型引信天线的结构优势，在需求的天线壳体上加工这样的波导口径，难度也较低。标准波导天线有固定的HPBW和固定的增益系数，工程上经常被用在尺寸参数确定的小型引信天线系统中。在增益达到7 dB的条件下，如果弹落角要求变化时，标准波导口天线无法实现更宽波束的探测要求。

1.2阶梯波导理论

矩形波导口天线是类似与矩形波导辐射器的一种能够实现电磁波能量放大辐射的。为了改善方向性、压窄方向图和获得较高的增益，需要增加波导辐射器的口径面积，常见的方法是将波导终端做成逐渐张开的形状，也就是直接线锥喇叭天线。H.帕切研究了矩形波导双面阶梯结构在波导传输模式变换器和滤波器中的应用，当不同高度和宽度的矩形波导相级联的时候，便产生了双面(不均匀)的变换器[2]。由此可知类似于H面附加阶梯(双面阶梯)比纯粹的E面阶梯和H面阶梯能得到更短的节长和较小的反射系数，这也就说明了双面阶梯结构具有比单面阶梯结构更佳的电磁传输特性。最佳的三节双面阶梯变化器，其在通带内的反射系数接近切比雪夫特性，可以知道三节波导阶梯具有最佳的辐射特性。标准矩形波导口天线的半功率波束宽度为2θ0.5H=54λ/D(°)，而直接线锥喇叭传输的波接近于球面波，天线的半功率波束宽度比拟可以达到2θ0.5H=88λ/D(°) ，对比可以看出直接线锥喇叭天线的天线波束宽度更优。其中D为与矩形波导宽边平行的喇叭边长[3]。

1.3微带探针馈电结构

在毫米波波段，波导口天线的加工难度要低于微带天线，并且波导口天线能够实现很好地将电磁能量束缚在一定的范围内，并且具有小型引信探测器要求的波束宽度。要实现波导口天线向外辐射电磁能量(或者是接收电磁信号)，就需要有专门的微带-波导过渡装置来实现将天线馈电系统转换至波导口天线，来驱动天线工作，借此降低传输损耗，实现最大程度的探测功能。同轴-微带这样的转换结构加工工艺难度较大，手动调试较为繁琐。鳍线-微带结构中由于鳍线存在各种模式，很难抑制所有不需要的反馈[4-5]，而毫米波段脊波导的屏蔽体费用较高，且损耗较大[6]。采用微带-波导探针过渡结构能够实现天线的馈电转换，采用谱域分析的方法对E面探针进行了分析[7]。微带-波导的探针转换结构的分析大多数采用Green’sFunction的方法和正弦电流的方法进行分析。输入波导的复数功率Pin=PR+jPl，其为探针有效介电常数ε的函数，而介电常数ε又是短路面距探针距离L的函数。微带探针的输入阻抗和输入电抗为：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中PR为复功率实部，Pl为复功率虚部，Il为探针底部电流。从中可以看出探针的输入阻抗与探针的尺寸，传输频率有关。

2双面阶梯波导口天线

本文提出的双面阶梯波导口天线系统包括三阶双面阶梯波导和微带-波导的探针转换结构。MMIC输出的高频信号经过微带转换结构伸进波导给波导口天线提供激励。双面阶梯波导是在圆柱天线壳体上加工的三阶波导阶梯结构。微带转换结构采用逐节匹配设计的方法实现，其中转换结构包括探针、阻抗线和匹配线三个部分。

2.1双面阶梯波导口结构

标准波导BJ260口径面长度为8.636mm，宽度为4.318mm，其半功率波束宽度只能做到固定的范围。本文中提出的三阶双面波导变化结构是基于这种标准波导而来的，其波导口面的宽边为8.4mm，窄边为6.6mm。三阶波导空腔高度由最小口面往上具有一定比例的高度，如图1(a)所示。本文设计采用的K波段波导口天线，波导最小阶梯还包括探针往下的部分，其高度近似为四分之一波长。在天线需求的壳体上加工出图1(a)所示的天线结构，即构成了双面阶梯波导口天线的形状，如图1(b)所示。波导结构是跟微带探针相交的，BDT1分为两个部分，上部分与BDT2和BDT3构成一个整体，下部分与短路体相接，中间的分界处伸入馈电转换结构的探针部分，探针具有特定的长度和宽度特征，以上均由转换结构的要求所定。

图1　基于双面阶梯的矩形波导腔体结构Fig.1　Rectangular waveguide cavity structure based on double-plane step

波导天线结构模型的建立采用波导体分离的方法建立，这样做有助于模型简化，按照波导阶梯设计的方法加工的样品实物如图1(b)所示。具有微带转换结构的波导天线还需要对转换微带结构在波导中的作一定的隔离处理，这一点通过合适的腔体实现。按照前面所讲的双面波导阶梯结构，设计出波导阶梯的参数，其中探针距短路面距离L约为λ/4。

2.2微带探针转换结构

微带探针-波导转换结构可分为E面探针和H面探针两种结构，本文采用E面探针结构，这样就能够设计更加结构紧凑的小型引信波导口天线。E面探针结构与波导宽边正交，可缩小天线的整体尺寸，减小馈电转换结构的复杂度。微带线需要良好的介质基片，介质基片是电磁场的传输媒质，电路结构在介质基片上覆型设计。本文的微带探针结构的关键在于实现覆层分段的匹配设计。由式(1)和式(2)的关系可以得出，为了保证在转换过渡的频率带宽范围内具有较小的插入损耗和反射损耗，就需要对探针的参数进行优化。由于微波电路结构设计的特殊性，在设计过渡结构的过程中免不了要采用比较繁琐的电路优化设计方法，通过试探和无约束的优化设计微带波导过渡结构。按照SmithChart的匹配方式增加了天线设计的难度和复杂性。这里ADS(AdvancedDesignSystem)提供了一种计算微带线长度计算工具Linecalc，可以根据微带线的阻抗值来计算微带金属层的尺寸。

本文提出了一种简化设定微带-波导转换结构的匹配方法，方便于工程设计和计算使用，见表1。

第一步，设定探针(Probe)长度Lt和宽度Wt，加载激励仿真之后，探针的输入阻抗Zin_i=Rpt+jXpt。

第二步，为了实现更好的阻抗匹配，我们建立一段阻抗线(Impedanceline)来实现对输入阻抗Z的匹配设计，由此确定微带介质板上阻抗线金属层的长Li和宽Wi。借助AnsoftHFSS电磁仿真软件，我们实现对输入阻抗虚部的匹配到几乎为零，同样得到的输入阻抗Zin_t=Rit+jXit，这里Xit≈0。

第三步，从上一步中我们得出，Rit是一个实数阻值，也即Zin_t是一个阻值。接下来，对探针和阻抗线两者共同输入阻抗的匹配，我们按照λ/4阻抗匹配，匹配线(Matchline)的阻值Rm是一个实数，RitRm=502，则Rm=2 500/Rit(Ω)。到这一步就已经实现了对过渡结构部分的50Ω匹配。第二步和第三步中的微带线参数都可以根据ADS工具得出。

第四步，根据天线的频率和前面仿真得到的阻抗参数，计算得出微带线的宽度Wmw。

表1　微带探针结构参数表

根据以上方法设计的微带-波导转换结构如图2所示。根据前面所讲的设计思想和理论部分的阻抗计算公式，计算介质板上各金属层部分的参数，并逐步用AnsoftHFSS和ADS进行匹配分析。采用上面的思想建立微带参数使其在仿真的过程中更接近于匹配。

图2　微带探针波导转换结构示意图Fig.2　Microstrip probe conversion structure

3天线系统的仿真

双面阶梯波导天线系统由铝波导结构体和MMIC两部分组成。在毫米波波段更加低的介电常数有利于提高电路的效率。本文采用能够满足K波段使用RT/Duriod5880材料作为介质基板，介质基板厚度为0.254mm，介质基板的介电常数为2.2，还需考虑到一定的微带金属层的厚度。本文设计的K波段矩形阶梯波导口天线，采用AnsoftHFSS进行仿真。由于小型探测器天线可以收发共用，也可以收发独立。本文只对发射天线进行仿真，接收天线具有与发射天线相同的参数结构。按照上节确定的结构参数建立HFSS模型，如图3所示。

图3　双面阶梯波导天线模型Fig.3　Double-plane step waveguide antenna model

按照上节的方法对馈电探针部分进行匹配设计之后，使用HFSS对天线模型进行仿真优化。在仿真过程中发现阻抗线与波导体之间需要一部分空间，此种腔体的作用是为了阻止微带金属层表面与波导体相接，从而减小表面电流的损失，腔体的结构与阻抗线的结构有关。从仿真得到的结果如图4所示。

图4　天线系统的仿真结果Fig.4　Simulation results of antenna system

从仿真的天线图来看，由于天线模型建立在图中是有固定位置的，天线的方向图在远离辐射边界的地方会产生一定的副瓣。图4(a)和图4(b)是双面阶梯波导口天线仿真得到的方向图，在标准的电磁场坐标系中，按照半功率波束宽度来衡量，H面方向图(Φ=0°)为108.44°。E面方向图(Φ=90°)为62.82°。图4(c)是天线的驻波比曲线，可以得出双面阶梯天线的微带波导结构在21.7～25.5GHz范围驻波比均小于1.5，满足在K波段频带内的信号大小要求。图4(d)是天线的S11参数，可以看出回波损耗在21.7～25.5GHz范围内小于-20dB。天线的最大增益为G=7.64。波导阶梯结构对电磁场模式变换的传输中具有比较明显的作用，而设计良好的微带过渡结构才能够更好地找到匹配输入阻抗，实现了驻波比和回波损耗的减小。

标准波导BJ220，基本宽度为8.636 mm，基本高度4.318 mm。其波束宽度为E面：86°，H面：57°。通过对比可以明显看出矩形波导双面阶梯天线的天线波束宽度在E面和H面均有了提升，能够满足小型引信天线的需求。根据仿真结果加工波导体结构，不同的需求下可以根据天线具体要求设计合适的壳体结构。图5是天线实测结果与仿真对比图，收发天线测试采用垂直极化方向，测得的是E面方向图，可以看出主瓣的变化基本吻合。

图5　E面仿真与测试图Fig.5　Diagram of simulation and test

4结论

本文提出了具有微带转换结构的双面阶梯波导口天线。该天线采用H面附加阶梯作为波导结构，馈电过渡采用微带探针-波导的转换结构。仿真及测试结果表明：采用三阶双面波导阶梯结构能够明显展宽天线的波束宽度，波束宽面的HPBW比标准波导口天线展宽了20°左右，且天线的回波损耗在2.41GHz带宽内降低了5dB以上，低于-20dB，同时增益测试结果与仿真基本一致。紧凑的过渡结构具有计算简单的优点，能实现馈电过渡的优化设计，在最大程度上解决波导天线结构小型化的问题。拟进行下一步的性能测试，验证该天线在不同环境下的实用性。

参考文献:

[1]GrabherrW,HudderB,MenzelW.MicrostriptoWaveguideTransitionCompatiblewithmm-WaveIntegratedCircuit[J].IEEETransMicrowaveTheoryTechnology, 1994, 42(9):1842-1843.

[2]曹元莉.矩形波导的双面阶梯和它在变换器膜片以及滤波器中的应用[J].雷达与对抗，1983(4)：29-35.

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[4]LavedanLJ.Designofwaveguide-to-microstriptransitionspeciallysuitedtomillimeter-waveapplication[J].ElectronLetters, 2007(5):604-605.

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[6]MoochallaSS,AnC.RidgeWaveguideUsedinMicrostripTransition[J].Microwaves&RF, 1984(7): 149-153.

[7]李洪彬，丁卫平， 余同彬.一种波束展宽的宽频带圆极化微带天线的设计与制作[J]. 军事通信技术, 2011(4): 71-73.

Double-plane Step Open-end Waveguide Antenna with Microstrip Transition Structure

HUANG Yan1,2, LIU Manglong2, LI Xiong2, JI Tao2

(1. Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China;2.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:In view of the problems of high loss, narrow HPBW, and complex feed convert structure in traditional millimeter wave open-end antenna, a double-plane step antenna with low loss microstrip waveguide conversion structure was proposed. The antenna part applied optimized rectangle double-plane step waveguide open-end structure, and MMIC to waveguide part used simple microstrip to waveguide structure. The simulation results showed that HPBW of antenna was broadened about 20 degrees, and the antenna’s gain was about 7.64dB. The wave-port return loss in 1.64 GHz bandwidth was less than -25dB, and could realize wide-beam and low return loss.

Key words:fuze; double-plane; conversion; wide-beam

中图分类号:TJ43

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)02-0028-04

作者简介:黄岩(1990—)，男，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向：天线设计、电磁散射、微波探测技术。E-mail：1170041049@qq.com。

*收稿日期:2015-10-21