张兴伟
【摘 要】文章介绍了一种基于槽隙波导(GGW)的低副瓣驻波天线设计方法.设计方法可以分两部分执行:首先,GGW传输线可以被等效为一个矩形波导,它的等效宽度可以通过一个简单的转换公式求得,转换公式通常应用在矩形波导的相位常数计算中;其次,低副瓣天线的设计可以通过斯蒂文森定理规定的条件实现.最后,文章设计并仿真了两种不同副瓣的低副瓣天线,天线的仿真结果与设计需求基本吻合,说明文章中的设计方法可以应用在在低副瓣槽隙波导天线的设计中.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2018(026)022
促进剂cbs
【总页数】5页(P81-85)
【关键词】槽隙波导;天线设计;低副瓣;等效带宽
【作 者】张兴伟
【作者单位】中国科学院国家空间科学中心微波室中国科学院大学,北京100053
【正文语种】中 文
【中图分类】TN928
隙波导技术是一种新型波导技术，凭借其低损耗（没有介质），低工艺要求被广泛应用在高频器件的设计中[1]。间隙波导作为一种新型传输结构，最初在2009年被提出。其结构是在平行板波导的一个平板表面上的金属脊周围布局电磁带隙构成，当上层金属板距离EBG表面小于四分之一波长的时候，由于电磁带隙结构存在带隙特性，电磁波不能在其中传播，而只在金属脊的方向以准TEM模传播，且在很宽频带内将其它模式截止，由此而得名脊间隙波导。后来又衍变出槽间隙波导，不同之处在于将上述金属脊用槽代替[2]。由于此类传输结构抑制了散模式且电磁波只在空气中传播，与微带线相比，该传输结构的损耗大大降低，且容易加工。在毫米波或更高频段以上应用中，该结构具有广阔的应用前景。
在天线设计中，在保留其低损耗和高频特性的情况下，利用隙波导技术和波导缝隙设计的
天线可以获得更大的带宽[3]。同时隙波导的一个巨大的优势是其不需要额外的封装，这使得微波电路的设计变得更紧凑，更简单[4-5]。
槽隙波导是在平行板波导的一个平板表面上的金属槽周围布局电磁带隙构成，当上层金属板距离金属结构表面小于四分之一波长的时候，由于电磁带隙结构存在带隙特性，电磁波不能在其中传播，而只在槽的方向以准TEM模传播，且在很宽频带内将其它模式截止，由此而得名槽隙波导[6]。迄今为止关于槽隙波导的理论研究和实现方式已经有很多研究。同时，很多基于隙波导技术的微波器件设计也取得了很大的进展[7-14]。
但是迄今为止还没有一个基于GGW的低副瓣天线设计的简单有效的方法在相关论文中提出。因此，在本文中我们将呈现一种简单的低副瓣GGW天线设计方法。首先我们发现矩形波导的宽度等效公式可以被应用在GGW传输线上，接下来利用斯蒂文森理论为基础设计低副瓣缝隙天线。我们将设计两个天线，其副瓣电平为-25 db和-30 db，我们通过泰勒综合法计算其电平分布。我们将呈现这种设计方法的仿真结果和计算结果，并最终证明这种设计方法的有效性。
1 设计过程
诸如传播常数，电导特性等波导阵列天线的参数在之前已经被广泛研究并已趋于成熟。通常情况下，如果把一种新式波导等效为一个矩形波导将使得设计工作变得更有效，因为矩形波导的设计方式已经很成熟。比方说，基片集成波导（SIW）通常被认为是介质填充的矩形波导，因此SIW天线的设计可以被等效为矩形波导天线设计[15]。在这种等效设计中，波导的等效宽度是最关键的问题，是我们解决之后设计问题的先决条件。因此，我们的设计方案分为两个部分：第一部分是解决GGW的等效宽度问题，另一部分是选用合适的天线口径幅度分布使其实现低副瓣特性。
1.1 等效宽度计算
相比于基片集成波导SIW来说，槽隙波导GGW没有简单易用的计算等效宽度的方法[16]。但是对于矩形波导来说，其相位常数可以通过下面的方法得到：展频原理
其中k0是真空传播常熟，a是矩形波导的宽度。我们发现，如果把GGW等效为一个矩形波导，a就可以等效为GGW的等效宽度weff。因此，一个简单的转换方法可以表示为：
因此，我们接下来的工作主要就是计算相位常β。在我们的工作中，我们使用仿真软件CST
来计算一个槽隙波导的相位常数β。只有我们知道了β，我们才可以利用公式（2）来求得GGW的等效宽度。
1.2 特定的天线口径幅度分布电容手套
电磁大锅灶一般来说，我们需要调整天线的口径幅度分布来使天线满足低副瓣特性，给定副瓣电平，通常我们使用二项式法，切比雪夫综合法和泰勒综合法去计算它的口径幅度分布[17]。在二项式法和切比雪夫天线阵中，天线增益和方向性与旁瓣负相关。特别地，在切比雪夫阵列中，随着天线缝隙的那个多，新增的副瓣和之前的幅度是相同的。但是对泰勒分布法来说，它的副瓣会随着缝隙的增加逐渐减小，因此，我们选用泰勒综合法来实现天线的低副瓣特性。
在天线表面，一个纵向的缝隙可以等效为一组并联电导，理想的电导值可以根据泰勒分布求得[18]。之后我们需要用到下面的方法：
其中an是缝隙的归一化电平值，根据泰勒公式求得[18]。然后根据前面求得的电导值，我们可以计算得到缝隙中心线到波导中心线的距离，这个距离可以根据下面的方法求得：
其中g0是半波长对应的电导值，可以通过下面的方法计算得到：
经过上面的计算，我们还需要考虑的是缝隙的长度。我们根据斯蒂芬理论选择缝隙的长度，即波导缝隙的长度远小于波导长度。
2 波导设计
我们设计一个基于GGW的驻波波导天线，我们在GGW的宽边设置21个缝隙作为辐射单元。波导中间的槽可以被视作传输线，槽的两边分别有三排金属柱来防止横向波泄露。GGW驻波波导天线的结构如图1所示。
天线表面的纵向缝隙有相同的长度，长度均为半波长。另外，它们分布在中线的两边，这样就可以得到相同的辐射场角度。位于天线最右边的是短路棒，用来实现驻波结构，其距离最近的缝隙为四分之一波长。它的等效电导结构如图2所示。
图1 槽隙波导设计
图2 波导的等效电路设计
在我们给出具体的天线设计参数前，我们首先给出槽隙波导金属柱结构的2D散图如图3所示，2D散图给出了其横向阻带范围，我们需要设计合适的金属柱结构来确定在设计的工作频率下横向没有波泄露。
图3 2D散图快开阀芯
图3中，a=2.0mm，p=4.5mm，d=5.9mm，h=2.0mm。
我们看到其阻带范围在10.5～17.3 GHz，因此我们可以确定我们设计的天线在15 GHz的工作频率下没有横向波泄露。
我们同样给出隙波导结构的1D散图，如图4所示，因为我们需要其相位常数β来计算其等效宽度。图4表示了我们设计的GGW结构的1D散图，它的阻带为10.9 GHz到17.3 GHz，表示只有这个范围内的波可以通过传输线传输。其中亮线（light line）表示平面波在真空中的传播常数，这个常数用来和工作状态的GGW做对比，与其相似的曲线就是GGW的相位常数。同时，我们设定的工作频率为15 GHz，我们可以从图中得出在此工作频率下的相位常数为243.9 rad/m，根据公式（2），我们可以得出其等效宽度为15.87 mm。
图4 1D散图
图4中，wg=15.78mm，其他参数和二维散图中参数相同。
文中将设计两个低副瓣天线，分别具有副瓣电平-25 dB和-30 dB，我们通过泰勒综合法计算出对应的电平值，电平值如图5所示。最中间的电平值最大，设为1，剩下的电平值为相对应的倍数，图中水平的线表示最大的电平值。
图5 归一化后的槽电平幅度值
我们把泰勒综合法计算出的电平值如表1所示，因为缝隙是两边对称的，所以我们只展示其中11个缝隙的值。
3 结果
两种天线在工作频率的仿真结果如图6和图7所示，我们同样把计算结果呈现出来方便比较。在图6中，我们发现仿真的主瓣和计算得到的主瓣基本吻合，副瓣电平为-24 db，比计算结果稍大。除了某几个副瓣，其他副瓣基本保持降低，造成这样的结果的原因很大可能
是软件的计算精度问题。在图7中，副瓣电平为-30 db，仿真结果基本相同。但是主瓣底部比计算结果稍宽，造成这样结果的原因可能是仿真软件值使用了有限的方向图取值。
表1 通过泰勒分布法计算出的参数值slot number 1234567891 0 11 Normalized conductance(-25dB)0.0123 0.0143 0.0187 0.0259 0.0357 0.0478 0.0605 0.0722 0.0813 0.0870 0.0889 Offset(-25dB)0.6975 0.7541 0.8634 1.0163 1.1981 1.3892 1.5688 1.7193 1.8295 1.8954 1.9172 Normalized conductance(-30dB)0.0060 0.0082 0.0132 0.0214 0.0330 0.0469 0.0618 0.0761 0.0880 0.0960 0.0988 Offset(-30dB)0.4870 0.5700 0.7231 0.9244 1.1494 1.3761 1.5868 1.7678 1.9076 1.9964 2.0269
图6 -25 db天线的仿真与计算结果对比
图7 -30 db天线的仿真与计算结果对比
天线的S参数表示如图8所示，我们发现虽然两个天线的副瓣电平不同，但是它们取得了近乎相似的带宽。
图8 两个不同副瓣GGW天线的S参数
面波仪4 结论
通过上面的实验，我们发现基于槽隙波导的低副瓣驻波天线可以通过一个简单的流程来实现。实验结果证明通过这种设计方法，GGW的低副瓣特性可以得到满足。因此我们得出结论，即低副瓣的GGW天线可以通过把它等效为一个矩形波导的方式来设计，接下来，在矩形波导上面适用的低副瓣设计方法可以用来在GGW上设计出满足特性的天线。
参考文献:
【相关文献】
[1]Zaman A UKildal P S.Wide-band slot antenna arrays with single-layer corporate-feed network in ridge gap waveguide technology[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation，2014，62（6）:2992-3001.
[2]Kildal P S，Alfonso E，Valero-Nogueira ARajo-Iglesias E.Local metamaterial-based waveguides in gaps between parallel metal plates[J].IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters，2009，8（4）:84-87.
[3]Zarifi D，Farahbakhsh A，Zaman AKildal P S.Design and fabrication of a high-gain 60 ghz corrugated slot antenna array with ridge gap waveguide distribution layer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2016（99）:1.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议