一种新型77 GHz频段分支馈源喇叭子阵列天线外文翻译资料

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一种新型77 GHz频段分支馈源喇叭子阵列天线

摘要：本文提出了一种用于77GHz频段的新型2times;2阵元的分支馈电喇叭子阵列天线，使用阶梯式喇叭代替传统的锥形喇叭以减少其阵列数。设计并制用计算机数控铣床加工了一套集成波导功分器和腔体的复合结构，从而简化了馈电网络结构。最重要的是，创新性的引入了一个金属横杆壁面，以减少阵列间的互耦并抑制子阵列的旁瓣。测量结果表明，所提出的天线S11参数lt;-10 dB，带宽为72-85 GHz，即达到16.6％。此外，天线的平均增益为19 dB，并且工作频段内天线的旁瓣电平小于-9.3 dB。

关键词：平面阵列，分支馈电，阶梯式喇叭天线，互耦

1．引言

随着应用需求的快速发展，现代雷达系统的设计越来越走向小型化和高分辨率。由于天线是雷达系统的重要组成部分，对于整个系统来说，实现小尺寸和高精度尤其关键。雷达天线由于结构紧凑，体积小，低轮廓，有不同类型辐射元素的平面阵列天线逐渐成为首选形式。另外，雷达的工作频率系统也已移动到更高的频率，例如毫米波和亚毫米波段，所以雷达天线很容易实现高分辨率，小型化，窄波束和高增益。另一方面，由于天线尺寸小，困难和制造成本也随之增加。

微带贴片，波导槽，印刷偶极子和喇叭通常用作平面阵列天线的单元天线[1]-[9]。具体来说，微带天线具有体积小，成本低，结构简单的优点，但它也受窄带，效率低和低功率容量的限制。在[1]和[2]中，基于微带馈电网络采用极化可调阵列天线。然而，由于线路耦合和传输损耗的增加，微带线线路可能不是更高频率的理想选择。在[3]中设计并测试了与单层基板集成波导（SIW）馈电网络集成的Ka波段2times;2微带天线阵列。不同极化状态可以从可变激励信号和SIW中获得也用于阵列元件之间的互耦控制。然而，天线的窄带宽度为3~4％。对于波导缝隙天线，高可以实现功率容量和低传输损耗。在[4]中，宽带高增益高效16times;16阵元针对60-GHz频带应用提供了缝隙天线阵列。天线实现约12％的反射系数天线效率超过70％的效率。但是常规波导缝隙阵列的带宽仍较窄，主要是由于串行馈电网络带来的长线效应 [4]，[6]。[7]-[9]中介绍的印刷偶极子可以在很宽的频率范围内工作，但它有很多更大的尺寸，且组成阵列时产生更大的耦合效应。喇叭天线很有吸引力，因为它不仅实现了高功率水平和高效率，也是一个广泛的带宽。此外，如果使用非标准尺寸的喇叭，则其口径面的尺寸也将大大降低，这使得其更容易组阵。

本文提出了一种采用平面阵列天线，工作于W波段（中心频率f0 = 77GHz），尺寸为790times;70times;20 mm3的天线。考虑到功率、效率和带宽，采用喇叭天线作为阵列单元。经过对旁瓣电平和增益进行分析后，估计天线阵列单元元数量为64times;8。但是，如果用传统的如图1所示的锥形喇叭天线作为阵列单元，会由以下问题：

图1 传统锥形喇叭阵列的配置

1）当单元数量猛增时，馈送网络在毫米波段中，可能分布复杂，甚至难以设计；

2）如果增加天线孔径尺寸w，则单元数量将减少，馈电网络的设计过程将简化。然而，单元间距d的增加将导致旁瓣电平升高，甚至产生栅瓣[10]；

3）考虑到所设计的天线总体尺寸要求，单元高度h应尽可能小。而锥形喇叭的高度可能不符合要求。

最后，本文提出了一个新的2times;2单元子阵列分支馈电结构，可以用作大平面阵列的基本单元天线。具体来说，设计方法如下：

1）为了简化馈电网络的设计过程，2times;2单元子阵列由四个阶梯式喇叭组成，并提出每个喇叭由一组由波导功分器和腔体组成的复合结构馈电。此外，采用计算机数控铣床实现2times;2单元子阵列的制造；

2）锥形喇叭由阶梯喇叭代替以克服h的限制，从而大大减小平面阵列的尺寸。

3）在阵列口径面中，创新性地引入带有壁面的金属横杆将口径面分为四个单元。一方面，可以减少孔径中心和边缘之间相位差，从而口径面的场分布更均匀。另一方面，减小了子阵列的各单元之间的互耦，从而有效地抑制了旁瓣。

2．天线配置

本文设计的2times;2元子阵天线的三维（3D）视图如图2所示。该子阵列从上而下分别集成了三层：电子平面h-结波导馈电网络，耦合馈电腔，和一个带有墙壁的金属横杆。

E面H型导馈电网络位于底层，功率经过馈电网络后被分为4路后，经波导端口对天线馈电。并且在整个馈电网络的弯曲部分中，直角波导充当阶梯阻抗变换结构以改善阻抗匹配，从而与传统的圆形弯曲波导相比可以减小馈电网络尺寸。

图2 2times;2元素子阵列的配置 （a）总体视图 （b）透视视图

耦合馈电腔结构设计在中间层。它主要用于通过耦合器后将功率从功率分配器网络耦合到腔体。如果腔中的电磁能量通过喇叭直接辐射出来，类似于图1所示的传统喇叭结构，则会带来如下问题：1）增加口径面尺寸会导致相位差增大；2）阵列单元间的隔离度变差。上述两种情况都会增加旁瓣电平、恶化辐射特性。

为了解决这些问题，本文以在[11]-[13] 的基础上，提出了在耦合馈电腔上方放置一个带有墙壁的金属横杆，并在喇叭口径面上放置四个。这种方法的潜在好处是喇叭口径面的电磁场均匀分布并且辐射元件之间的相互耦合被由金属横杆的凸出边缘抑制隔离。此外，在腔体中增加金属片用于调整腔体和金属横杆的阻抗匹配。

3天线的设计与分析

A．阶梯式喇叭阵单元

在图2（a）中给出了本文设计的2times;2子阵天线，它由四个喇叭组成复合结构。图3显示了该的基本结构数组元素。天线的运行机制可以用这种方式解释：电磁能量波导功率分配网络耦合到腔体通过耦合槽，然后分成四个辐射单元由金属横杆组成。因此，这是基本上是阶梯式喇叭元件，类似于波导步进阻抗变换[14]。与传统的锥形相比，具有明显的优势喇叭天线，是高度可以大大降低。

图3 喇叭阵列元件的设计（a）总体视图（b）金属横的俯视图（c）馈电腔俯视图（d）侧视图

如上所述，金属的凸出边缘横杆可以抑制相互耦合。参考在图2（a）所示的阵列中，分析了辐射元件的互耦效应减小方法。首先，单元1被馈电，仿真了阵列的S参数随壁的高度（H1）变化。仿真结果如图4所示，可以看到在电场方向上排列的元件1和2，凸起的金属壁可以减少相互耦合（S21）大约4dB。对于沿磁场方向布置的元件1和3，凸起的金属壁减少了相互作用耦合（S31）约10dB。在对角放置的元件1和4之间的互耦（S41）减小了最大值为20 dB，抑制到-45 dB以下。

图4 四个单元之间的互耦

图5显示了不同尺寸的阵列单元反射系数S11仿真结果。如图5（a）所示，低频谐振向更高频率移动，高频共振向低频移动，随着H1的减少，最终缩小了带宽。如图5（b）所示，当H2从0.4毫米增加至0.8毫米时，高频共振天线逐渐向低频移动。同时，低频谐振点处的匹配恶化，并且| S11 |增加。当H3从2.35 mm增至2.75 mm时，图5（c）显示高频共振的趋势与H2相似，而低频共振保持稳定。

图5.不同尺寸的阵列单元反射系数仿真结果

B. 2times;2元喇叭子阵天线

最后，由2times;2单元子阵列及波导功分器结构如图2，每个子阵由4个单元组成。图6为子阵列的内中空结构。2times;2台阶步进喇叭阵列单元由E平面馈电H型波导接头功率分配器馈电，金属台阶用于调节阻抗匹配。图7仿真了馈电网络的S参数。可以看出反射系数 S11 lt;-20dB，带宽为26.7％（65GHz~85GHz）。这表明在相同的带宽内VSWR小于1.2。 每个输出端口的插损（| S21 |~| S51 |）稳定在-6dB，差别大约0.6dB。

图6. 2times;2元件子阵列的内部中空结构（a）俯视图，（b）仰视图，（c）侧视图

图7.馈电网络的模拟S参数

表1.所提出的天线的尺寸

图8显示了参数H1，W4和L4对的影响两个E平面上77 GHz天线的辐射方向图和H-平面。 并且这些参数对增益的影响是随着H1的增加，E平面上子阵天线的旁瓣电平显着降低，而收益大大提高。 此外，它几乎没有影响H面上的辐射性能。 同时，W4和L4设计在设计上是相同的，以便光束宽度E平面和H平面可以是相同的。 作为光束的W4和L4值从2.8 mm到3.2 mm不等宽度已经缩小，增益已经明显增长。经过模拟和优化参数和天线的性能，天线的结构尺寸参数最终得到表1。

图8 针对不同尺寸（f0 = 77 GHz）的所提出的阵列的模拟辐射图。 （a）E面，（b）H面

4实验结果

制造了该天线的样件并进行了测量。图10显示了天线的照片，图10（b）所示的三个部分分别用CNC技术制造。金属圆柱和圆孔后视图设计用于安装和定位。考虑到波导壁厚，预先设定的2times;2子阵列尺寸为21.2 mmtimes;21.2mmtimes;10.2mm。

仿真和测量的2times;2子阵列反射系数如图11所示。当S11le;-10 dB，带宽约16.6％（从72到85GHz）。此外，仿真和测量结果基本一致。

图10 通过CNC铣削制造的阵列的照片（a）不同视图的整体结构（b）分解图

图11 所提出阵列的模拟和测量反射系数

图12为75 GHz，77 GHz和79 GHz天线的仿真和测量E面和H面方向图。可以看到仿真和测量结果在77 GHz和79 GHz一致。但是，在75 GHz时有很大差异。这可能是由加工误差引起的。此外，栅瓣的产生由于单元间距d为1.8lambda;。通常，要抑制栅瓣，有两种可能的方法可以采用：（1）将单元间距d减少到小于lambda;，这对毫米波来说相当困难。（2）减少相互耦合，使得场分布更均匀。因此，可以在设计的复杂性和低旁瓣电平之间综合选择，即调整高度H1减少相互耦合，并改变口径面尺寸W4和L4以改善场分布。表2给出了本文所设计天线的方向图特性参数。

表2 所设计的天线的详细特性参数

图12 所提出的2times;2子阵列的模拟和测量的辐射图 （a）75 GHz （b）77 GHz （c）79 GHz

5总结

设计、制造并测量了一个用于77 GHz频段的2times;2单元喇叭阵列天线。引入了金属横杆改善天线口径面场分布，减少单元之间的相互耦合，抑制栅瓣。测量结果表明所提出的天线在S11lt;10 dB的带宽为72 GHz-85 GHz（16.6％）。结果还可看出，天线频带内的平均增益约为19 dB。该阵列不仅可以单独使用，而且可以用于组成平面阵列天线。

参考文献

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[3] F. C. Ren, W. Hong, K. Wu, D. Yu, and Y. T. Wan, lsquo;lsquo;Polarization-adjustable planar array antenna with SIW-fed high-order-mode microstrip patch,rsquo;rsquo; IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 11, pp. 6167–6172, Sep. 2017.

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