基于60 GHz基板集成波导的单脉冲槽天线阵列外文翻译资料

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通讯

基于60 GHz基板集成波导的单脉冲槽天线阵列

朱建峰，廖少伟，李淑芳，全雪

摘要 - 该通信提出了一种具有1-D和2-D的新型基板集成波导（SIW）缝隙天线阵列

单脉冲辐射模式。 首先，开发了一种新的SIW魔术三通，它具有宽的相位/振幅平衡宽。

然后，魔术三通扩展到一个新的比较器，用于用2-D单脉冲辐射图案馈送天线。 基于

拟议的魔术三通和比较器，1-D和2-D单脉冲设计并测量了具有4times;4元件的缝隙天线

阵列，分别。 实验结果表明阵列表现良好单脉冲性能。 更重要的是，与他们的前者相

比对应物，阵列的单脉冲性能仅表现出来由于宽相位而在更宽的带宽上轻微降级/比较

器实现的幅度平衡带宽。索引术语 - 魔术三通，毫米波，单脉冲天线，插槽天线阵列，

基板集成波导（SIW）。

1. 导言

单脉冲天线广泛地用于比较从sum（）和difference（）信道同时接收的信号

用于雷达和卫星系统的目标跟踪[1]。基本上，单脉冲天线由两部分组成：单脉冲

比较器和辐射部分。前者用于控制元素相（0°或180°相位差），而后者是

负责辐射。单脉冲天线可以实现单个天线或阵列。虽然是基于单角的单脉冲

由波导比较器馈电的天线可以获得良好的特性，天线和相应的单脉冲比较器是

通常复杂，笨重，昂贵[2]，[3]。平面阵列结构可以克服这些问题。特别是基

于微带的天线阵列对单脉冲应用很有吸引力低成本和紧凑的尺寸。各种微带单脉冲

阵列提出了良好的表现[4] - [9]。在这些设计中，微带线耦合器，移相器和多层

魔术师用于实现单脉冲比较器. 但是，微带技术手稿于2017年7月16日收到; 修

订于2018年1月14日; 公认2018年5月14日。出版日期2018年6月14日; 当

前版本的日期2018年8月31日。这项工作得到了国家重点基础部分的支持

中国研究计划（973计划），资助2014CB339900，部分由深圳市基础研究项目组成

授予JCYJ20160608153614297，部分由技术研究项目提供深圳市根据格兰特

JSGG20150331154209122，部分由国家自然科学基金，资助61427801和

格兰特61601040，部分由广东创新和创业研究组计划在2017ZT07X032资助下。 （相

应.作者：全雪。

朱先生是北京邮电大学网络系统体系与融合北京市重点实验室，北京100876，同

时也是国家重点实验室。毫米波，电子工程系，城市大学香港，香港，以及城大深

圳研究院，深圳518057，中国。

S. Liao和Q. Xue在电子信息学院学习华南理工大学工程学院，广州510006，中国

（电邮：eeqxue@scut.edu.cn）。

S. Li是北京邮电大学网络系统架构与融合北京市重点实验室，北京100876

该通信中的一个或多个附图的颜色版本是可在http://ieeexplore.ieee.org在线获取。

数字对象标识符10.1109 / TAP.2018.2847324不适用于V波段应用，因为它的损耗

要高得多而不是在较低的乐队。

最近，基板集成波导（SIW）已经存在在微波设计中被证明是一种很有前景的

技术和毫米波电路和系统[10] - [13]。到现在，已经提出了许多SIW单脉冲天线

阵列[14] - [18]。对于SIW单脉冲天线阵列设计，SIW耦合器和

移相器通常用于实现比较器。尽管如此，这些比较器无法实现相对较宽的范围

相平衡带宽。传统的180°移相器为基础关于SIW的讨论在[17]中讨论过。只需使

用90°SIW固定相连接到90°耦合器的移位器引入plusmn;50°相位误差

在90至98 GHz的频段内。即便如此相位补偿方法采用等长法实现

耦合器后的不等宽移相器，相位误差仍然存在高达plusmn;8°。值得一提的是，引入了这

个相位误差只需一个180°移相器。对于使用更多的天线比一组180°移相器实现

2-D单脉冲性能，更严重的相平衡降级可以被预测。大相位误差将产生单脉冲辐射

性能下降。相位不平衡的影响在[18]中讨论了辐射方向图。

在这次通信中，一个新的SIW魔术三通具有宽相位首先提出平衡带宽。与以前的

对应物不同，所提出的SIW的E-和H-平面结合通过WR-15直接馈送SIW来实现魔术

三通波导。因此，魔术三通在单层上实现结构简化。然后，魔术三通扩展到

一个新的单脉冲比较器。与以前的单脉冲饲料相比建议使用耦合器和移相器的网络

更宽的相位平衡带宽，以便阵列可以维持在宽带宽上具有良好的单脉冲性能。基于

提出魔术三通和比较器，天线阵列与1-D和设计并测量了二维单脉冲性能。模拟

测量结果显示天线阵列有一些好处特征包括宽带宽，深零深度和高

端口到端口的隔离。更重要的是，单脉冲模式阵列在宽带宽上仅表现出轻微的劣化。

有了这些优秀的功能，阵列可以成为很好的选择毫米波单脉冲系统应用。

II. DESIGN OF THE MONOPULSE COMPARATOR

1. 基于SIW的Magic-Tee的设计

如第一节所述，单脉冲比较器基于耦合器和移相器通常会受到窄相位平衡

的影响带宽，而E平面或H平面T型结的输出

自然地表现出高振幅和相位（180°/ 0°）平衡一个非常宽的频段。因此，它们非

常适合被设计为单脉冲天线的比较器。启发

据此，如图所示，提出了基于单层SIW的魔术三通在图1（a）中。可以看出，和通

道被端口1激发。它是基于H平面三通，能量以相同的幅度和相位流入SIW的双臂

[19]。宽度选择SIW为2.7毫米（a3），以便只占优势

模式在整个工作频率上在SIW中传播带，如图1（b）所示。差异频道很兴奋

端口2. WR-15波导位于两者的中心SIW的武器。 WR-15波导的能量耦合

是借助于电场而将其分成两个臂相同幅度和180°相位差自然[20]。因为

场对称性，和和差异端口之间的隔离天生就是高。为了在波导之间获得良好的匹配 -

总和和差异端口的SIW转换，位置端口附近的帖子都经过精心优化。详细

波导-SIW跃迁的尺寸在表I中给出.

拟议的魔术三通背靠背安排，以评估其性能如图2（a）所示。 模拟和测量

S参数如图2（b）所示。 对于和通道，也可以可以看出，模拟时插入损耗（S14）约

为1.1 dB，测量时插入损耗约为1.3 dB。 对于差异频道，模拟插入损耗（S23）约为

0.7 dB，测得的损耗为约1.1 dB。 因此，测量了魔术三通的插入损耗端口1（和端口）

约为0.65 dB，端口2约为0.55 dB（差异端口）。

1. 单脉冲比较器的设计

为了获得单脉冲天线的二维性能，一个新的单脉冲比较器，由四个魔术师

组成建造。 这种新型单脉冲比较器的配置如图3所示，比较器的电路图如图3所

示如图4所示。比较器基本上由两种类型组成魔术T恤，即WR-15直接喂魔术T

恤（魔术T恤1）和光圈耦合的（魔术三通2）。 Magic-tee 1已经出场了

在第II-A节中讨论。 至于魔术T恤2，H型平面T型接头在实现E平面T结的同

时在上层实现通过电场耦合通过孔然后分开分成两个相同的幅度和反相.

魔术三通2的详细配置如图5所示。孔径位于T形接头的中心。 长度和

孔的宽度分别为2.1和0.6mm。 邻近孔的柱的位置被优化以获得良好匹配。 魔

术三通2的性能如图6所示。它可以可以看出，魔术师2的带宽覆盖了整个未经

许可的人具有S11 lt;-13 dB的60 GHz频段。 两者之间的幅度差异

输出端口从57到64 GHz小于0.6 dB。 如图6（b）所示，两个输出端口之间的相

位不平衡是总和端口小于1.5°，不同端口小于2.5°工作频段。

III。 MONOPULSE ANTENNA ARRAY的设计

1. 1-D 4times;4元件天线阵列

基于提出的基于SIW的魔术三通，两个1-D 4times;4元素单脉冲天线阵列，

即A型和B型，如图7（a）所示，在本节中给出并讨论。

对于类型A，在E平面中生成和/差模式并且在B型的H型平面中用于辐射槽元

件长度1.87毫米，宽度0.5毫米，间距1.95毫米沿着波导分开。 它们以交替排

列关于SIW中心线的时尚，以获得同相激发。 在Ansys HFSS中模拟和优化天线。

Rogers 5880层压板，介电常数为2.2plusmn;0.03并且在模拟中使用0.0009的损耗角正

切。 总损失通过总和的激励来估计馈电网络

差异端口，分别。 在模拟中，平均损失包括转换在内的馈电，约为0.8和0.4 dB

端口1和端口2。

如图所示，制造天线原型以验证该想法

在图7（b）中。 安捷伦网络分析仪（E8361A）用于测量其反射系数。 视轴增益

和辐射模式由内部远场毫米波测量天线测量系统。 通过获得阵列的增益

与标准喇叭相比。 由于系统限制，仅限测量上半球的辐射方向图。模拟

给出了4times;4天线阵列的测量S参数在图8中。测量结果表明反射系数

在整个未许可的60 GHz中，阵列的值低于-10 dB频带和隔离度优于20 dB。 具体

来说，-10 dB4times;4元件天线阵列的带宽（A型和B型）从56.8到65 GHz（13.5％）

和56.8到65.5 GHz（14.2％），分别。

58times;4times;4天线阵列的和光束和差光束，60和63GHz如图9所示。图案表现稳

定单脉冲性能包括良好的旁瓣电平（SLL）和光束上的差分光束的和光束和振幅

平衡三个频率。

实现了A型和B型的和差光束分别沿阵列的E平面和H平面。因此，

A型的和差波束宽度略大于B型，因为天线孔沿E平面的长度

A型比B型H型平面短。阵列的零深度通常低于-28 dB。在大多数频带上，交叉极

化在-28和-35 dB之间。模拟的总效率约为84％（端口1）和88％

类型A的（端口2）和类型B的82％（端口1）和86％（端口2）单脉冲阵列的模

拟和测量增益是如图10所示。测得的增益比低于约0.5 dB

模拟的。模拟和模拟之间的差异测量增益归因于制造误差，电介质

衬底的常数变化，金属化损失，和表面粗糙度。此外，罗杰斯5880基板具有损耗

角正切在制造数据表中给出的，在10 GHz时为0.0009也用于模拟。但在60 GHz

时，损耗正切将是更高。因此，测量的增益是轻微的是合理的低于模拟的。

1. 2-D 4times;4元件天线阵列

2-D 4times;4单元单脉冲缝隙天线的配置

阵列如图11（a）和（b）所示。 布置四个输入端口沿y方向馈送SIW单脉冲比

较器。天线是双层结构，其中槽辐射元件设计在上基板（D1）中。 端口1和端

口2直接在上层输入SIW，而端口3和端口4输入下层的SIW。 两个PCB层堆叠

在一起，并且放置在基板拐角处的几个定位销用于对准。 辐射槽的几何形状如图

11（c）所示。单脉冲馈电网络的总损耗在评估中

通过激励相应的输入端口进行仿真。 总损失当端口1,2,3和4被激励时，大约是

1,0.8,0.6和0.8 dB，分别.

制造并测量天线原型以验证天线原型

想法，如图11（d）所示。 模拟和测量的S参数从13.8到15.8 dBi，12.1到13.7

dBi，11.1到13.9 dBi，以及总和为9.1到12 dBi，yoz平面差，xoz平面差，

和工作频率分别在工作频率范围内。测量的增益略低于模拟的增益

因为制造公差，金属化损耗，以及在60 GHz时层压板的损耗正切上升。

IV。对比

表II比较了所提出的天线的关键性能和他们以前的同行一样。与1-D单脉冲

相比在建议的工作中使用单层天线，虽然是天线[16]中的报道也是基于SIW魔术

师实施的，它有更窄的带宽。此外，由于E-和H-平面通过喂食实现所提出的SIW

魔术三通的连接点SIW直接通过WR-15波导，它可以实现

单层，结构简化。更重要的是，在拟议的工作中，拟议的SIW魔术三通扩展到了

基于魔术三通的新饲喂网络。这使得缝隙天线成为可能阵列在a上显示2-D平衡

单脉冲辐射图宽带，这在[16]中没有实现。比较器通过使用SIW耦合器实现的单

脉冲天线并且相位延迟可以很好地集成在具有宽的单层中

阻抗带宽[17]，[18]，它们只能提供相对的窄相平衡带宽。当频率变化时，大

将出现相

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