全金属缝隙天线在PAF 馈源中的应用

马 月，庞 峰，王 君，于京龙1,，彭 勃1,

(1.中国科学院FAST重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学北京 100049；3.中国科学院国家天文台，北京 100101)

1 引言

在星系演化和复杂相互作用研究中，射电天文学观测对望远镜视场和巡天速度提出了更高要求。相位阵馈源(phased array feed,PAF)是一种全新的射电天文技术，可以为射电望远镜提供较大的视场，并显著提高巡天速度。相位阵馈源就像无线电摄像机一样，通过对其单元响应加权组合，在天空中形成多个瞬时波束。在这些波束的形成过程中形成了许多自由度，例如，控制光束模式及其旁瓣、优化孔径效率和执行射频干扰RFI(radio frequency interference)消减[1]。相对于传统喇叭馈源系统，PAF 系统的复杂性带来了许多技术挑战，包括阵列天线工作带宽、扫描范围、阵元间耦合；此外，在低噪声放大器设计、信号传输、数字信号处理和系统校准等领域也有诸多困难。

因为具备先进的科学探测能力和极高技术可行性，PAF 是SKA 先进仪器计划中重点研发的技术。澳大利亚平方公里阵列(square kilometre array,SKA)探路者——ASKAP(Australian SKA Pathfinder)，成功开发出具有宽视场的创新“相位阵馈电”接收器，并首次将这种技术应用于射电天文观测。

本文将介绍一些目前正在为现有望远镜和未来望远镜开发的PAF 系统，通过分析现有PAF 技术，提出了一种全新的阵列单元设计方案。

荷兰APERTIF(APERture Tile In Focus)[2]工作在1～1.75 GHz，馈源由121 个Vivaldi单元组成，激励馈电56 个单元。2011 年，澳大利亚SKA 先导单元是第一个配备相位阵馈源的射电望远镜，安装了双极化焦平面阵列馈源，馈源阵列采用188 个棋盘式贴片单元印刷在低损耗的介质材料上，工作频段为700～1 800 MHz[3]。自2015 年，Dunning 等人[4]开展了全金属Rocket 5×4 阵列PAF 馈源研究，工作在0.55～1.8 GHz，阵列间距90 mm，采用差分馈电，输入阻抗180 Ω。加拿大National Research Council(NRC)的Lisa 正在开展制冷相位阵馈源的研究[5]，设计了140 个全金属Vivaldi 单元，馈电激励96 个单元，44 个无源单元，工作在S/C 波段的2.8～5.18 GHz。美国国家射电天文台(national radio astronomy observatory,NRAO)与美国杨百翰大学(Brigham Young University,BYU)合作，2010 年Karl 等人为美国西弗尼亚州绿岸(Green Bank)20 m 望远镜天线上安装了单极化19 单元粗偶极子相位阵馈源，工作在1.36～1.84 GHz，输入阻抗50 Ω[6]。2017 年BYU 与NRAO 为美国绿岸射电天文望远镜(Green Bank Telescope,GBT)——100 m 研制了新型双极化19 单元PAF 馈源Focal L-band Array for the GBT (FLAG) Phase II，中心频率是1 350 MHz，振子间距0.68λ，工作带宽150 MHz[7]。英国正在为SKA 中频孔径阵列天线开展PAF 研究，主要工作频段在400～1 450 MHz，采用电容紧耦合八角环形振子天线形式，双极化方式，利用三层介质超材料改善带宽，由117 个单元组成[8]。

目前国内外大多数进行的是低频段窄带相位阵馈源的研究。PAF 在SKA 建设准备阶段的研究中属AIP(先进仪器项目)，目的是通过相位阵馈源天线阵有效扩大射电望远镜视场，提高巡天观测效率。开展宽带相位阵馈源的可行性研究，将扩大单个接收机频率覆盖，同时减少接收机数目，提高观测灵敏度，在建设和运行维护阶段有重要意义。本论文主要对宽频带、结构简单的槽线天线TSA (tapered slot antenna)阵列单元研究。

2 全金属LTSA 直线渐变缝隙天线相位阵阵列单元的设计与分析

在相位阵馈源的研究中，阵列单元的形式选择尤为重要，本文采用的是直线渐变缝隙天线LTSA(linearly tapered slot antenna)。目前，TSA 天线在单极化和双极化的超宽带天线中比较流行，广泛应用于通信侦查、电子战和雷达上。TSA 天线结构具有极好的电气性能，易加工、成本低、功率高和耐久性强。

TSA 天线最早由Lewis 等人于1974 年提出，1979 年Gibson 也对其进行了研究，并命名为“Vivaldi”。传统TSA 天线由渐变张开的槽线印制于微波基片上构成，通常由微带线或带状线馈电。根据渐变形式不同，渐变缝隙天线主要有三种：指数渐变(Vivaldi)、直线渐变(LTSA)、等宽渐变(CWSA)。三种形式各有优点：指数渐变的带宽最宽，但增益较低；等宽渐变的增益最大，但带宽较窄；直线渐变的带宽和增益都介于两者之间，并且有稳定的输入阻抗[9]。直线渐变缝隙天线(LTSA)属于端射行波天线，一般可以印刷在介质板上或者全金属铸造一条逐渐张开的槽线而将电磁能量辐射出去。这种天线具有宽频带，方向图对称性好，在组成阵列时，阵元间互耦效应可改善其匹配。其中全金属LTSA 天线形式，采用SMA(Sub-Miniature-A)连接器直插馈电，相较于传统印刷型Vivaldi 阵列天线，具有结构简单，强度高，耐大功率，易于模块化拓展的优点。因此，直线渐变缝隙天线在相位阵方面得到广泛应用。本文研究的是全金属直线缝隙渐变天线。

由于TSA 天线宽频带特性和结构简单，在介质天线上已开展了很多应用，例如，在UWB 频段LTSA 天线[10,11]，在UWB 频段上的改进型椭圆对称对踵Vivaldi 设计[12]。传统TSA 天线是利用电路技术印刷在介质板上，介质天线具有重量轻、成本低、加工简单的特点。但它也具有一些缺点，例如带来大的微带损耗、复杂的安装和集成、低的结构强度。全金属结构天线可以克服这些缺点，如Lekshmi 和Raglend[13]在9～9.8 GHz 的全金属Vivaldi单极化阵列天线的设计，Kindt 和Pickles[14]在725 MHz～8.7 GHz 改进型的双极化全金属64 阵列Vivaldi 天线研究等。LTSA 天线作为相位阵馈源的主要应用形式，本文主要介绍在4～12 GHz 频段内Vivaldi 阵列单元CST(computer simulation technology)电磁仿真模型、设计过程及样机加工测试。该样机通过矢量网络分析仪完成了驻波测试，在微波暗室完成了方向图及增益测试。

2.1 LTSA 天线单元的设计方法及仿真模型分析

2.1.1 LTSA 天线设计原则

Yngvesson 等人[15,16]对于LTSA 馈源阵做了大量研究，建立了一些经验公式，指出要获得高的辐射效率，要求天线结构满足以下条件(如图1 所示)：

图1 传统LTSA 天线参数示意图

(1) 使天线有效辐射、渐变槽口径宽度W1>λc/2 (λc为中心频率8 GHz 在空气中的工作波长)；

(2) 渐变张开角度2α的取值范围：5°～20°；

(3) 天线渐变段长度取值2λc～10λc，L小于2λc时，天线不能形成行波电流，大于10λc时长度增加对增益提高很小。

在开展LTSA 天线设计时，我们遵循了此原则。

2.1.2 LTSA 天线模型设计

我们对以下参数优化了LTSA 天线主体结构，天线仿真模型及参数如图2 所示。最终优化的LTSA 天线模型参数值见表1。

表1 最终优化的LTSA天线模型参数值

图2 LTSA 天线仿真模型及参数

针对馈电点的设置及同轴探针内导体的设计如图3 所示，主要在内导体内增加2 个匹配环，改善全频段内的驻波特性，获得稳定的输入阻抗。

图3 LTSA 天线同轴馈电设计模型

2.1.3 LTSA 天线仿真模型分析

经CST 软件优化仿真，由图4 所示，渐变段长度L1 优化到79 mm，驻波可满足全频段2 以下。仿真步长设置为5 mm，渐变段长度L1 (84 mm)越长时，在5 GHz 驻波越高；渐变段长度L1(74 mm)越短时，在4 GHz 驻波越高。Slot 缝隙长度L3 优化到6 mm，驻波可满足全频段2 以下。仿真步长设置为3mm，Slot 缝隙长度L3 (9 mm)越长时，在5 GHz以后的频段驻波全部升高；Slot 缝隙长度L3 (3 mm)越短时，在4.5 GHz 驻波越高。Slot缝隙宽度W2 优化到2.5 mm，驻波可满足全频段2 以下。仿真步长设置为0.5 mm，Slot 缝隙宽度W2 (3 mm)越宽时，在4.5 GHz 驻波越高；Slot 缝隙宽度W2 (2 mm)越窄时，在5 GHz 以后的频段驻波全部升高。对比内导体匹配环对驻波的影响，内导体只加匹配环1 可以降低4.5 GHz,78 GHz 驻波；内导体只加匹配环2，可改善低频段4.5～5.2 GHz 的驻波；内导体同时加匹配环1 和2，可有效降低全频段的驻波。

图4 LTSA 渐变段长度L1、Slot 缝隙长度L3、Slot 缝隙宽度W2 和内导体匹配环对驻波的影响

综上所述，直线缝隙天线中引入腔体缝隙结构，实现了天线良好的匹配，获得了较好的驻波特性；同轴探针采用多个匹配块级联的方式，内导体增加匹配环消除了驻波不连续性，并实现了50 Ω 阻抗匹配。

2.2 LTSA 天线单元样机及测试

为了验证理论分析和设计方法的正确性，加工了单端口全金属铝质LTSA 天线单元样机(如图5 所示)，并分别测试了驻波和远场辐射方向图。

图5 LTSA 天线单元样机

2.2.1 LTSA 驻波测试

LTSA 馈源单元样机经矢量网络分析仪，进行了驻波测试，测试的结果与CST 的仿真数据进行了对比。由图6 所示，VSWR测试与仿真的数据比较匹配，除测试点在5 GHz 时高于2，其余频段均小于2，实现了412 GHz 内3 倍频程工作带宽。

图6 LTSA 天线VSWR 仿真与测试对比

2.2.2 LTSA 方向图及增益测试

LTSA 馈源单元样机在微波暗室进行了远场方向图测试，由图7 和8 可以看出，E,H 面主极化远场方向图实测与仿真在大多数频率下的趋势基本吻合，10 dB 波束宽度在大多数频段内维持约±36°，增益最大值在全频段内4～8 dBi 之间。

图7 LTSA 天线最大增益仿真与测试对比

3 LTSA 馈源单元天线结论

图8 E,H 面主极化方向图仿真实测对比

本文对全金属LTSA 直线渐变缝隙天线相位阵阵列单元开展了设计与分析，制作了实验样机。E,H 面主极化方向图仿真与测试结果比较一致，10 dB 波束宽度在大多频段内约±36°，最大增益值在全频段4～8 dBi 之间，可以实现天线样机4～12 GHz 频段三个倍频程工作带宽。对比传统的LTSA 天线，我们增加了腔体缝隙结构，实现了天线良好匹配，获得了较好驻波特性。同时，采用同轴探针馈电，内导体增加匹配环消除了驻波不连续性，并实现了50 Ω 阻抗匹配，进而实现了宽带特性。从表2 可以看出，近几年射电天文相位阵馈源阵列单元天线性能对比中，利用全金属进行LTSA 天线的设计，并引入腔体缝隙结构和内导体匹配环的新型馈源单元设计，已实现了宽频带性能的设计要求，可以继续进行组阵研究。这无疑为SKA 射电望远镜高性能馈源的应用提供了一种可能的选择。

表2 近几年射电天文中的相位阵馈源阵列单元天线性能对比

致谢

感谢国家天文台所级公共技术中心的中国科学院仪器设备功能开发技术创新项目实施方案《FAST超宽带相位阵馈源的研制》相关设备的支持。