高 初，賴清華，陳 明

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

毫米波成像系統(tǒng)可以獲取目標的輻射分布差異特性并產(chǎn)生圖像，從而推測對應(yīng)目標的形狀、體積、距離和材料等特性。相關(guān)技術(shù)在軍事領(lǐng)域有偵察、制導(dǎo)、反隱身、探測等應(yīng)用，在民用領(lǐng)域則有公共安全、醫(yī)學(xué)、遙感等應(yīng)用［1-2］。從分辨率和溢出損耗兩個方面綜合考慮，天線應(yīng)當具有小截面和高增益的特性［3］。因此，靠軸向尺寸而不是截面尺寸獲取高增益的介質(zhì)棒天線受到了研究人員的高度重視。

介質(zhì)棒天線是一種表面波端射天線，通過合理的設(shè)計，可實現(xiàn)窄波束和高增益。該類型的天線還有陣元間互耦弱和寬頻帶內(nèi)具有較低的反射損耗、較低的副瓣、較低的交叉極化電平等特點，與喇叭等饋源天線相比可以更小的溢出損耗實現(xiàn)對透鏡或者反射面天線的照射。從加工的角度考慮，介質(zhì)棒電磁性能對幾何尺寸變化不敏感，對加工精度要求不高［4］。

現(xiàn)有的圓波導(dǎo)圓極化器主要有兩種設(shè)計方法:一是在圓波導(dǎo)中插入介質(zhì)片［5］，二是在圓波導(dǎo)壁上開凹槽或加銷釘［6-7］，二者的圓極化性能接近。但是，U波段天線各組成部分的尺寸很小，對加工誤差比低頻段敏感?？紤]到波導(dǎo)機械加工易于保證相關(guān)尺寸的精度，且不易變形，在該頻段選擇圓波導(dǎo)壁上開凹槽形式的圓極化段。

本文設(shè)計了一種U波段圓極化介質(zhì)棒天線。整個天線由同軸矩形波導(dǎo)變換段、矩圓波導(dǎo)變換段、凹槽形式的圓波導(dǎo)極化段和圓形錐削介質(zhì)棒組成。采用HFSS 優(yōu)化設(shè)計得到了6%的帶寬內(nèi)駐波優(yōu)于1.5，軸比優(yōu)于2 dB，3 dB波束寬度約為22°的良好效果。同軸矩形波導(dǎo)變換段和矩圓波導(dǎo)變換段的設(shè)計較為常規(guī)，以下著重論述圓波導(dǎo)極化段和圓形錐削介質(zhì)棒。

1 圓極化段的設(shè)計

圓極化段的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1 段圓波導(dǎo)和8個分布在兩條線上的凹槽組成。兩條線組成的平面則與入射的TE11模極化方向成45°。經(jīng)過圓極化段的傳播，在圓波導(dǎo)另一側(cè)形成兩個正交的模式;二者幅度相等，相位差90°;輸出模式所在方向一個在8個凹槽組成的平面，一個與之垂直。

圖1 圓極化段示意圖

每一個含一對凹槽的圓波導(dǎo)段可以視為一個圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)正交的四端口器件。根據(jù)設(shè)計4分支3 dB定向耦合器的方法，每一個凹槽的尺寸可以由耦合關(guān)系確定［6］，即

其中，A1為兩端2個帶凹槽圓波導(dǎo)的散射參數(shù)S31，Z1為修正后的兩端分支矩形波導(dǎo)的特性阻抗，A2為中心2個帶凹槽圓波導(dǎo)的散射參數(shù)S31，Z2為修正后的中心分支矩形波導(dǎo)的特性阻抗。修正后的分支矩形波導(dǎo)阻抗Z1和Z2為4分支3 dB定向耦合器的解，使得分支矩形波導(dǎo)在對應(yīng)頻段的中心頻率有了理想匹配。

凹槽中心的間距則由圓波導(dǎo)TE11模中心頻率波導(dǎo)波長決定［6］，即

以上參數(shù)可以通過全波仿真軟件如HFSS 求取。優(yōu)化后，1、4 段長度為1.9 倍圓波導(dǎo)半徑，2、3 段長度為1.5 倍圓波導(dǎo)半徑。各段寬度均為0.3 倍圓波導(dǎo)半徑。1、2 段中心間距和3、4 段中心間距為2.6 倍圓波導(dǎo)半徑;2、3 段中心間距為1.9 倍圓波導(dǎo)半徑。圖2和圖3分別是仿真所得的圓極化段的兩個正交TE11模式的傳輸幅度差和傳輸相位差。

圓波導(dǎo)主模通過圓極化段后得到的兩個正交模式的幅度差異不超過0.15 dB，相位差異與90°相比不超過4°。該圓極化段可以作為圓極化天線的激勵源。

圖2 圓極化段的幅度傳輸特性

圖3 圓極化段的相位傳輸特性

2 介質(zhì)棒的設(shè)計

介質(zhì)棒的示意圖如圖4所示，包括匹配段、安裝段和輻射段。

圖4 介質(zhì)棒示意圖

圓波導(dǎo)中的激勵將沿介質(zhì)棒軸向傳播，大部分向空間輻射，少部分被介質(zhì)棒終端反射。通過優(yōu)化輻射段的外形可以減小介質(zhì)附近束縛的電磁波的能量，增加進入自由空間的電磁波的能量，有效地提升輻射效率。安裝段則插入圓波導(dǎo)中，起到固定的作用，同時使產(chǎn)生的表面波在匹配段和輻射段之間傳播時產(chǎn)生連續(xù)輻射，提高效率。匹配段的形狀將影響天線的駐波。

選用介質(zhì)棒的基模HE11模作為工作模式。為了減小色散對帶寬的影響，選用低介電常數(shù)的介質(zhì)材料交聯(lián)聚苯乙烯(相對介電常數(shù)εr為2.53）。為了保證不激勵高次模，對介質(zhì)棒根部的直徑有一定的限制［3］，即

天線根部的直徑過小會在帶寬和副瓣方面帶來影響，故選擇介質(zhì)棒根部直徑約為λ0。

輻射段的長度決定了天線的波束寬度和增益。過短不能有效匯聚能量，導(dǎo)致增益偏低;過長則發(fā)生反向抵消的現(xiàn)象，增益亦有損失。近似的最佳長度為［3］

其中，s為輻射段長度，kx和k0分別為介質(zhì)中和空氣中的波數(shù)。

從最佳長度出發(fā)，借助HFSS 軟件，按照輻射段、安裝段、匹配段的順序逐步優(yōu)化輻射段的形狀，得到一個窄波束的介質(zhì)棒天線，輻射段長度約為8λ0，如圖5所示。

圖5 介質(zhì)棒天線

3 結(jié)果及分析

針對第2節(jié)中設(shè)計得到的介質(zhì)棒天線，采用HFSS進行了仿真和駐波測試工作。該頻段結(jié)構(gòu)尺寸很小，對加工進度要求較高。此外，介質(zhì)棒材料具有一定的彈性，導(dǎo)致加工中存在細微的偏心現(xiàn)象。端接式波導(dǎo)同軸變換段存在約0.1 mm的極小尺寸，給加工和裝配帶來了困難。各種誤差造成了仿真結(jié)果與實測結(jié)果的差異。

圖6 給出了設(shè)計頻帶內(nèi)駐波的測試結(jié)果。實測頻帶內(nèi)駐波優(yōu)于1.9，高于仿真值，系加工誤差所致。

圖6 實測駐波曲線

仿真所得的中心頻率的方向圖和軸比分別如圖7和圖8所示。主瓣3 dB波束寬度約為22°。交叉極化為－20 dB，副瓣電平在－16 dB左右，方向性系數(shù)約為18.1 dB，軸比約為1.6 dB。兩個邊頻的相關(guān)電性能與中心頻率的電性能類似。在設(shè)計頻帶內(nèi)，得到了良好的圓極化特性。

圖7 仿真所得中心頻率方向圖

圖8 仿真所得中心頻率軸比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種圓極化介質(zhì)棒天線，著重分析了凹槽型圓極化段和介質(zhì)棒的設(shè)計方法。根據(jù)仿真和部分實驗結(jié)果，考察了天線的駐波、副瓣、波束寬度、3dB波束寬度、軸比和方向性系數(shù)等特性。小截面尺寸、良好的圓極化性能和窄波束寬度使得該天線適用于U頻段多饋源反射面或透鏡系統(tǒng)。

［1］Richter J，Nbtel D，Kloppel F.A multi-channel radiometer with focal plane array antenna for wband passive millimeter wave imaging［C］// Microwave Synposium Digest.，IEE MTT-S International，2006(11-16）:1592-1595.

［2］Richter J，Schmidt L-P.Dielectric rod antennas as optimized feed elements for focal plane arrays［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium，2005，3-8(3）:667-670.

［3］王楠楠，等.Ka 頻段介質(zhì)棒天線優(yōu)化設(shè)計［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2010(1）:161-166.

［4］王楠楠，等.毫米波FPA 成像系統(tǒng)饋源天線研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010 (8）:1644-1648.

［5］劉微，等.一種新型圓極化寬帶喇叭天線［J］.電子測量技術(shù)，2007(5）:169-171.

［6］Yoneda N，Miyazaki M，Matsumara H，Yamato M.A design of novel grooved circular waveguide polarizers［J］.IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，2000，48(12）:2446-2452.

［7］曾暉.K波段圓極化高效率饋源的設(shè)計［J］.廣播與電視技術(shù)，2000(3）:117-124.