平面喇叭天线的研究与应用

　　平面喇叭天线的研究与应用
 

　　喇叭天线是微波天线家族中最经典、最简单、最广泛使用的天线之一。随着现代微波毫米波电路与系统的不断发展,要求其体积小型化、重量轻量化以及成本低廉化等,然而传统三维金属壁喇叭天线由于体积庞大、重量笨重以及不易集成等因素,限制了喇叭天线在现代微波毫米波电路与系统中的应用与发展。随着二十一世纪初基片集成波导技术的提出和发展,喇叭天线得以以平面形式在普通印刷电路板上实现,即基片集成喇叭天线,基片集成喇叭天线具有增益高、功率容量高、损耗小、体积小、重量轻、加工制作工艺简单、成本低廉等优点,而且可以与有源电路集成在一整块电路板上,使得整个微波毫米波系统小型化、一体化。但是目前基片集成喇叭天线还存在一些问题亟需解决,如：天线口径面上的相位分布不均匀,导致喇叭天线口径效率低,增益低等;其次电薄基片的基片集成喇叭天线的匹配和辐射特性较差；另外现有的基片集成喇叭天线的极化方向只能产生垂直方向的极化波；再就是现有基片集成喇叭作为阵列天线的平面馈电结构,为了保证适当的馈电相位,需要在基片集成喇叭天线口径外侧使用额外结构。针对上述问题,本论文的主要工作如下：1)提出了金属化过孔阵列和间隙波导两种结构用于矫正基片集成喇叭天线口径上的相位分布的不均匀,提高口径效率和天线增益。金属化过孔阵列相位矫正法是在基片集成喇叭天线内部内嵌多排金属化过孔的阵列,借助基片集成波导中电磁波相位速度与基片集成波导的宽度的关系,通过改变金属化过孔阵列的位置和长度,控制基片集成喇叭天线内部的电磁波的传输速度,使得电磁波最终同相地到达喇叭的口径面；间隙波导相位矫正法是利用不对称间隙基片集成波导的相位特性,采用多个不对称间隙,使所有电磁波同相到达喇叭的口径面。这两种相位矫正结构不仅可以矫正天线口径面上的相位分布,而且还可以控制天线口径面上的幅度分布,这两种相位幅度较正技术都可以提高增益2 dB到3 dB。这些技术的应用不仅可大大提高基片集成喇叭天线的效率、增益等性能指标,更重要的是这些相位幅度矫正结构都是位于基片集成喇叭天线的内部,不会额外增加基片集成喇叭天线的体积尺寸,可以保持其紧凑的结构。2)提出了一种水平极化的薄基片集成喇叭天线。该天线是在喇叭口径上加载一种小型化的对跖线性渐变槽线阵列(ALTSA),ALTSA能够把喇叭天线的垂直极化转变为水平极化,而且能够改善薄基片基片集成喇叭天线的匹配。为了减少ALTSA的尺寸,在基片集成喇叭内部嵌入了金属化过孔阵列来引导馈电电流以合适的方向流向ALTSA阵元,可以使得ALTSA单元天线的纵向和横向尺寸分别减小至0.19λ0和0.35λ0,而且还可以同时矫正基片集成喇叭口径面上的相位和幅度分布的均匀性,提高基片集成喇叭的口径效率和增益。设计了一款加载了小型化的1×8 ALTSA的薄基片集成喇叭天线；此外,在水平极化薄基片集成喇叭天线的基础上,还设计了1×8LTSA加载的垂直极化薄基片集成喇叭天线和1×8十字型LTSA加载的圆极化薄基片集成喇叭天线,拓展了基片集成喇叭天线在多极化系统中的应用。3)基片集成喇叭馈电的平面天线阵列。应用基片集成波导内部的相位和幅度的矫正结构,分别设计了三种基片集成喇叭馈电的1×8 ALTSA天线、1×8印刷对数周期偶极子阵列天线、1×8印刷准八木阵列天线,该基片集成喇叭形式的平面馈电结构相比于经典的1×8基片集成波导功分器馈电结构具有结构更加紧凑、损耗低、口径效率和口径利用率高,以及阵元个数灵活等优势。上述工作在保持基片集成波导天线结构紧凑特点的同时,不仅改善和提高了天线的性能,而且还拓展了基片集成波导天线的功能,使之具有多种极化的特性。这些工作丰富了基片集成波导天线的应用领域,所提出的相位幅度校正方法也可以用于其它应用场合。