平面喇叭天線的研究與應用
 

　　喇叭天線是微波天線家族中最經典、最簡單、最廣泛使用的天線之一。隨著現代微波毫米波電路與系統的不斷發展,要求其體積小型化、重量輕量化以及成本低廉化等,然而傳統三維金屬壁喇叭天線由于體積龐大、重量笨重以及不易集成等因素,限制了喇叭天線在現代微波毫米波電路與系統中的應用與發展。隨著二十一世紀初基片集成波導技術的提出和發展,喇叭天線得以以平面形式在普通印刷電路板上實現,即基片集成喇叭天線,基片集成喇叭天線具有增益高、功率容量高、損耗小、體積小、重量輕、加工制作工藝簡單、成本低廉等優點,而且可以與有源電路集成在一整塊電路板上,使得整個微波毫米波系統小型化、一體化。但是目前基片集成喇叭天線還存在一些問題亟需解決,如：天線口徑面上的相位分布不均勻,導致喇叭天線口徑效率低,增益低等;其次電薄基片的基片集成喇叭天線的匹配和輻射特性較差；另外現有的基片集成喇叭天線的極化方向只能產生垂直方向的極化波；再就是現有基片集成喇叭作為陣列天線的平面饋電結構,為了保證適當的饋電相位,需要在基片集成喇叭天線口徑外側使用額外結構。針對上述問題,本論文的主要工作如下：1)提出了金屬化過孔陣列和間隙波導兩種結構用于矯正基片集成喇叭天線口徑上的相位分布的不均勻,提高口徑效率和天線增益。金屬化過孔陣列相位矯正法是在基片集成喇叭天線內部內嵌多排金屬化過孔的陣列,借助基片集成波導中電磁波相位速度與基片集成波導的寬度的關系,通過改變金屬化過孔陣列的位置和長度,控制基片集成喇叭天線內部的電磁波的傳輸速度,使得電磁波最終同相地到達喇叭的口徑面；間隙波導相位矯正法是利用不對稱間隙基片集成波導的相位特性,采用多個不對稱間隙,使所有電磁波同相到達喇叭的口徑面。這兩種相位矯正結構不僅可以矯正天線口徑面上的相位分布,而且還可以控制天線口徑面上的幅度分布,這兩種相位幅度較正技術都可以提高增益2 dB到3 dB。這些技術的應用不僅可大大提高基片集成喇叭天線的效率、增益等性能指標,更重要的是這些相位幅度矯正結構都是位于基片集成喇叭天線的內部,不會額外增加基片集成喇叭天線的體積尺寸,可以保持其緊湊的結構。2)提出了一種水平極化的薄基片集成喇叭天線。該天線是在喇叭口徑上加載一種小型化的對跖線性漸變槽線陣列(ALTSA),ALTSA能夠把喇叭天線的垂直極化轉變為水平極化,而且能夠改善薄基片基片集成喇叭天線的匹配。為了減少ALTSA的尺寸,在基片集成喇叭內部嵌入了金屬化過孔陣列來引導饋電電流以合適的方向流向ALTSA陣元,可以使得ALTSA單元天線的縱向和橫向尺寸分別減小至0.19λ0和0.35λ0,而且還可以同時矯正基片集成喇叭口徑面上的相位和幅度分布的均勻性,提高基片集成喇叭的口徑效率和增益。設計了一款加載了小型化的1×8 ALTSA的薄基片集成喇叭天線；此外,在水平極化薄基片集成喇叭天線的基礎上,還設計了1×8LTSA加載的垂直極化薄基片集成喇叭天線和1×8十字型LTSA加載的圓極化薄基片集成喇叭天線,拓展了基片集成喇叭天線在多極化系統中的應用。3)基片集成喇叭饋電的平面天線陣列。應用基片集成波導內部的相位和幅度的矯正結構,分別設計了三種基片集成喇叭饋電的1×8 ALTSA天線、1×8印刷對數周期偶極子陣列天線、1×8印刷準八木陣列天線,該基片集成喇叭形式的平面饋電結構相比于經典的1×8基片集成波導功分器饋電結構具有結構更加緊湊、損耗低、口徑效率和口徑利用率高,以及陣元個數靈活等優勢。上述工作在保持基片集成波導天線結構緊湊特點的同時,不僅改善和提高了天線的性能,而且還拓展了基片集成波導天線的功能,使之具有多種極化的特性。這些工作豐富了基片集成波導天線的應用領域,所提出的相位幅度校正方法也可以用于其它應用場合。