Ka波段基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线
薛飞 稂华清 杨丽娜
摘要：????? 利用基片集成波导结构完成Ka波段罗特曼透镜仿真设计。 在设计中基于罗特曼透镜原理与基片集成波导， 利用Matlab在HFSS中得到罗特曼透镜轮廓及透镜的结构中旁壁形状， 并对基片集成波导缝隙阵列天线进行设计比较， 完成对15×32槽多波束阵列天线的设计， 设计了一个单层基片集成波导-金属波导垂直转接的结构。 最后， 将各个部分结合在一起， 完成中心频点为35 GHz基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线设计， 其带宽为600 MHz， 增益为27.1 dB， 扫描角度为90°。
关键词：???? 基片集成波导;? 罗特曼透镜;? 缝隙天线;? 多波束阵列天线
中图分类号：??? ??TJ765.3;? TN820文献标识码：??? A文章编号：??? ?1673-5048（2019）03-0056-06[SQ0]
0引言
随着毫米波高频段系统的发展， 平面化、 集成化對传统天线的设计提出了更高要求， 即需要开发出高性能、 低成本的平面阵列天线。 基片集成波导结合了普通平面电路和金属波导的双重优点， 能满足现代波束成型网络对性能、 外形、 重量、 加工工艺、 成本等诸多方面的要求[1-3]。
多波束天线形成有相控阵天线和透镜天线两种类型[4]。 透镜天线利用同一天线口径形成多个独立且相互重叠的窄波束， 虽然其调零分辨率不及相控阵天线， 但可以实现波束的最佳空域覆盖， 而相控阵天线需要大量集成移相器、 功分器或定向耦合器， 实现起来非常复杂。 罗特曼透镜则能形成多个波束， 覆盖很宽的角度范围、 增益高， 是经典波束形成网络之一。 现有的罗特曼透镜主要基于微带形式设计实现[5-8]， 由于微带在高频损耗较大且设计较为复杂， 因此本文将基片集成波导技术与罗特曼透镜结合， 实现Ka波段基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线。
1基片集成波导
基片集成波导技术是一种新型波导结构， 如图1所示。 其基本结构是上下底面为金属层， 中间为低损耗介质基片， 然后在介质上添加两排金属化通孔或者金属柱， 这样就可以在介质基片上实现传统的金属波导传输特性[9]。
2罗特曼透镜
罗特曼透镜是一种很常用的多波束形成网络， 其利用输入端口到天线阵上各个输出单元的光程差来确定波束指向。 理论上波束指向与工作频率无关， 然而传输线的色散特性以及辐射天线有一定的工作带宽， 而且能同时形成多个波束， 覆盖很宽的角度范围、 增益高[10]。
2.1罗特曼透镜工作原理
罗特曼透镜整体由5部分组成： 输入端口、 透镜腔体、 传输线、 输出阵列口、 辐射天线阵， 如图2所示。 罗特曼透镜天线的工作原理是： 由3个理想焦点确定的圆弧曲线上的输入端口发出信号， 通过透镜腔体、 传输线结构到达辐射天线单元， 辐射天线阵列单元上得到的信号相位差根据一定的常量依次增大或减小。 当不同的输入端口输入时， 根据阵列天线波束形成特性， 将生成不同角度扫描的波束方向图。 3个焦点分别为正轴焦点和2个关于X轴对称的偏轴焦点。 而基于3个理想焦点确定的输入曲线上均匀分布输入端口， 其到达各个辐射单元曲线路径也可以是近似等差的。 对于基片集成波导罗特曼透镜而言， 利用光程差设计， 但是如果在基板中传播， 需要考虑介电常数因素， 可通过修正文献[11]中的几何光程方程得到：
2.2基片集成波导罗特曼透镜
介质基板材料选用Rogers 5880介质基片（厚度1.575 mm）， 完成中心频率为35 GHz的基片集成波导罗特曼透镜的设计， 选取α=24°， φ=30°， R=17.730 9 mm， G=33.368 9 mm， 罗特曼透镜具有13个输入端口， 15个输出端口。 基于其波束口轮廓与透镜外轮廓， 利用式（1）得到其内轮廓形状。 利用Matlab并通过HFSS-Matlab-API数据包编程可得基片集成波导组成的罗特曼透镜内轮廓的HFSS模型， 如图3所示。 比较其旁壁形状对透镜性能的影响， 选择圆弧状旁壁虚端口轮廓。
然后利用式（1）计算得到的其在正轴焦点作为输入端口时的相位差， 确定透镜所需补偿的相移量， 利用基片集成波导移相实现透镜所需的移相器， 与透镜内轮廓连接， 进行微调实现透镜正轴焦点作为输入端口时输出相位差为零， 透镜偏轴焦点作为输入端口时输出相位差相同。 图4所示为罗特曼透镜外轮廓。
图5为罗特曼正轴端口输入时反射系数与传输系数仿真结果， 其带宽为600 MHz。 图6为罗特曼偏轴端口输入时反射系数与传输系数仿真结果。图7为不同输入端口输入时输出端口的相位仿真结果。
由图7可得， 正轴焦点输入时输出端口相位的相位差在0°左右， 偏轴焦点输入时输出端口相位的相位差在130°左右， 验证式（1）中正轴焦点与偏轴焦点中由距离差产生的理想等相位差， 其在正轴端口与偏轴端口之间不同输入端口的输出相位差， 虽然会由于其端口位置有一定差别， 但在一定范围内近似看作相等， 由此可以形成不同指向波束。
3缝隙阵列天线
3.1终端馈电缝隙天线设计
常见的缝隙阵是在一个两端短路的封闭波导腔宽壁上开纵缝。 缝隙单元间距为半个波长， 且在距离终端缝隙中心适当的距离处放置短路板， 由于短路板的影响， 激励出来的是全驻波， 使缝隙中心处于电压或电流最大的位置即驻波波腹处， 使能量有效辐射出去[12-13]。
缝隙天线有中心馈电和终端馈电两种馈电方式。 中心馈电由于槽数相当于终端馈电的一半， 带宽更宽而增益较低、 加工较为复杂。 终端馈电带宽较窄而增益较大。 本文选择终端馈电形式的缝隙天线。
终端馈电天线的设计是选取距离闭合端的缝中心距短路板1/4个波长 ， 两相邻缝间距为1/2个波长， 其结构如图8所示。 由图9～10可得其带宽为600 MHz， 增益为19.2 dB。
3.2多波束阵列天线（终端馈电）仿真结果
将基片集成波导罗特曼透镜与基片集成波导缝隙天线结合， 组成终端馈电罗特曼透镜缝隙阵列天线， 如图11所示。
图12为罗特曼透镜阵列天线不同输入端口反射系数仿真结果。 图13为中心频点35.0 GHz时不同输入端口辐射仿真方向图， 由于罗特曼透镜为对称结构， 因此可以对其半个阵面分别进行馈电， 从而形成7个波束指向。 输入端为正轴端口， 正轴端口、偏轴端口间的输入端， 偏轴端口三个端口， 其波束指向分别为0°， -20°， 46°。 增益分别为28.3 dB， 27.1 dB， 24.4 dB， 随扫描角度范围的增加， 光程相差增大， 其S参数波动增大， 波束增益出现恶化。
4基片集成波导-金属波导垂直转接
基片集成波导-金属波导垂直转接结构如图14所示。 这种转接的原理是在寬度稍宽的基片集
成波导上蚀刻一定尺寸的耦合口径， 将标准金属波导垂直压在耦合口径上， 并由定位销及螺钉固定[14]。 标准金属波导（FBP-320）的端口尺寸为7.112 mm×3.556 mm， 法兰直径为3 mm。
5基片集成波导罗特曼透镜阵列天线
完成单层基片集成波导-金属波导垂直转接设计， 可将其与图11罗特曼透镜后接中心馈电32槽缝隙阵的输入端连接， 即可得基片集成波导罗特曼透镜整体结构， 如图16所示。 图17为罗特曼透镜阵列天线不同输入端口反射系数测试结果， 测试与仿真结果基本吻合， 反射系数低于–10 dB的带宽为1 GHz。 图18～19分别为罗特曼透镜正轴焦点、 偏轴焦点输入时方向图测试结果， 其天线增益分别为27.1 dB， 24.2 dB， 波束指向分别为0°， 44.5°。
6结论
基于基片集成波导技术设计并实现了基片集成波导罗特曼透镜与基片集成波导缝隙阵列天线， 组合完成Ka波段基片集成波导多波束天线。 输入端口数量决定波束形成的数量， 输出端口与缝隙阵列天线决定天线增益， 其输入端口数量可调整。 本文基片集成波导罗特曼透镜阵列天线具有13个输入端口、 15个内部输出端口， 与32槽缝隙阵列天线结合， 形成一个带宽为600 MHz， 增益为27.1 dB， 扫描角度为90°的多波束阵列天线。
参考文献：
[1] 李贵栋， 张文涛， 稂华清.一种新型圆极化缝隙加载三角形微带天线[J].航空兵器， 2018（1）： 77-80.
Li Guidong， Zhang Wentao， Lang Huaqing. A Novel Circularly Polarized Slot Loaded Triangular Microstrip Antenna [J]. Aero Weaponry， 2018（1）： 77-80.（in Chinese）
[2] 张天水， 杨丽娜， 张文涛，等. 弹载超宽带小型化阵列天线单元及阵列设计[J].航空兵器， 2018（4）： 89-94.
Zhang Tianshui，Yang Lina， Zhang Wentao， et al. Design of MissileBorne UltraWideband Miniaturized Array Antenna Unit and Array[J]. Aero Weaponry， 2018（4）： 89-94. （in Chinese）
[3] 郝张成.基片集成波导技术的研究[D].南京： 东南大学， 2005.
Hao Zhangcheng. Investigations on the Substrate Integrated Waveguide Technology[D].Nanjing： Southeast University， 2005. （in Chinese）
[4] 汤晓云， 樊小景， 李朝伟.相控阵雷达导引头综述[J].航空兵器，? 2013（3）： 25-30.
Tang Xiaoyun， Fan Xiaojing， Li Chaowei. Summarization of Phased Array Radar Seeker [J]. Aero Weaponry， 2013（3）： 25-30. （in Chinese）
[5] 曹静， 卢强， 陈俊可. C波段罗特曼透镜设计[J].通信技术， 2014， 47（10）： 1216-1222.
Cao Jing， Lu Qiang， Chen Junke. Design of CBand Rotman Lens [J]. Communications Technology， 2014， 47（10）： 1216-1222. （in Chinese）
[6] 向海生， 杨宇宸， 卢晓鹏， 等. 基于罗特曼透镜的宽带多波束天线系统[J].雷达科学与技术， 2017， 15（1）： 81-88.
Xiang Haisheng， Yang Yuchen， Lu Xiaopeng， et al. Wideband MultipleBeams Antenna System Based on Rotman Lens[J]. Radar Science and Technology， 2017， 15（1）： 81-88. （in Chinese）
[7] Lee W S， Kim J H，? Yoon Y J. Compact TwoLayer Rotman LensFed Microstrip Antenna Array at 24 GHz[J]. IEEE Transactions on? Antennas and Propagation， 2011， 59（2）： 460-466.
[8] Zhang Y， Christie S， Fusco V F， et al. Reconfigurable Beam Forming Using PhaseAligned Rotman Lens[J]. IET Microwaves Antennas and Propagation， 2012， 6（3）： 326-330.
[9] 程鈺间. 基片集成波导多波束阵列天线的研究[D]. 南京： 东南大学， 2009.
Cheng Yujian. Investigations on? Substrate Integrated Waveguide Multibeam Array Antennas[D]. Nanjing： Southeast University， 2009. （in Chinese）
[10] 刘熠志. 微带Rotman透镜的分析与改进设计[J].电讯技术， 2012， 52（10）： 1652-1657.
Liu Yizhi. Analysis and Improved Design of Microstrip Rotman Lens[J].Telecommunication Engineering，? 2012， 52（10）： 1652-1657.（in Chinese）
[11] Rotman W， Turner R F. WideAngle Microwave Lens for Line Source Applications [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1963， 11（6）： 623-632.
[12] Cheng Y J，? Chen P， Hong W， et al. SubstrateIntegratedWaveguide Beamforming Networks and Multibeam Antenna Arrays for LowCost Satellite and Mobile Systems[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine， 2011， 53（6）： 18-30.
[13] Cheng Y J，? Hong W，? Wu K， et al. MillimeterWave Substrate Integrated Waveguide Long Slot Leaky Wave Antennas and TwoDimensional Multibeam Applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2011， 59（1）： 40-47.
[14] Cheng Y J，? Hong W，? Wu K. 94 GHz Substrate Integrated Monopulse Antenna Array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2012， 60（1）： 121-129.
