基于SIW技術(shù)實(shí)現(xiàn)初級(jí)單脈沖輻射器的應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者：陳敏，何山紅，車文荃

1 引言

差模跟蹤是一種高精度的自動(dòng)跟蹤體制，它有著精度高、天線和差矛盾小等優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，傳統(tǒng)的多模自跟蹤差模提取技術(shù)通常利用圓波導(dǎo)差模耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而波形耦合器的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵的技術(shù)。這種波導(dǎo)耦合器對(duì)加工精度的要求很高，目前在應(yīng)用較多的Ku或更低頻段上還可以滿足要求，但是如果到Ka甚至更高的頻段上，對(duì)設(shè)計(jì)和加工誤差的要求更高，往往很難得到令人滿意的結(jié)果。而一般的陣列天線方向圖等化性能差， 很難進(jìn)行反射面的賦形。本文提出一種基于基片集成波導(dǎo) （SIW） 技術(shù)的和差模提取方法，有效地降低了設(shè)計(jì)和加工的難度。SIW具有低剖面的平面結(jié)構(gòu)，可以與微帶，CPW等平面?zhèn)鬏斁€兼容，同時(shí)具有矩形波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了較為廣泛的應(yīng)用。饋源由SIW的初級(jí)單脈沖輻射天線和多模喇叭組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由SIW的單脈沖比較器，縫隙輻射單元和多模波紋喇叭組成。下面首先簡(jiǎn)要介紹采用SIW技術(shù)設(shè)計(jì)的初級(jí)單脈沖輻射器。

2 基片集成波導(dǎo)單脈沖初級(jí)輻射器

利用SIW來(lái)設(shè)計(jì)縫隙單脈沖這列天線，單脈沖比較器由四個(gè)定向耦合器連接90度延遲線構(gòu)成，這里我們利用偏置寬度構(gòu)成90度移相器，使得比較器的結(jié)構(gòu)更緊湊。連接四個(gè)SIW定向耦合器，構(gòu)成單脈沖比較網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。端口5、6、7和8接縫隙輻射單元，可以產(chǎn)生初級(jí)的單脈沖輻射信號(hào)，作為多模喇叭的激勵(lì)信號(hào)。

比較器印制在高度為2mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)板上。用HFSS仿真的各端口幅度和相位特性如表一所示。在仿真時(shí)為了減少計(jì)算時(shí)間，按照文獻(xiàn)［5］方法把SIW等效為相同高度但具有不同寬度的矩形波導(dǎo)。由表一可以看出，最大幅度不平衡度為0.19dB， 而最大相位不平衡度為6.9度。

連接端口5、6、7和8的SIW縫隙輻射單元結(jié)構(gòu)及駐波特性如圖3所示，可以看出在14-14.5GHz范圍內(nèi)的駐波小于1.5。

3 多模喇叭

用上述SIW單脈沖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的和差信號(hào)來(lái)激勵(lì)和差模兼載的波紋喇叭，可以在喇叭口徑上輻射出所需要的單脈沖方向圖，所設(shè)計(jì)喇叭的結(jié)構(gòu)以及喇叭的尺寸如圖4所示：

由SIW縫隙天線輻射單元產(chǎn)生的輻射場(chǎng)經(jīng)過(guò)一段光滑壁段過(guò)渡到波紋段，波紋段的張角為 = 28。。在具有光滑壁的喇叭與SIW縫隙輻射單元的交界面上，輻射場(chǎng)的和信號(hào)與轉(zhuǎn)換成光滑壁喇叭的TE11模，而差信號(hào)轉(zhuǎn)換成光滑壁喇叭的TE21模，從而激勵(lì)起喇叭的和差模。在光滑壁喇叭與波紋喇叭的過(guò)渡面上，光滑壁喇叭的和模激勵(lì)起波紋波導(dǎo)的和模HE11模，方位面差信號(hào)則激勵(lì)起波紋波導(dǎo)的方位面差模，俯仰面差信號(hào)激勵(lì)起波紋波導(dǎo)的俯仰面差模。波紋喇叭的結(jié)構(gòu)如圖5（a） 所示。我們截取了和差信號(hào)在波紋波導(dǎo)中不同截面上的電場(chǎng)分布情況以及模式轉(zhuǎn)換， 將其表示在圖5中。圖中明亮的地方表示場(chǎng)強(qiáng)較大的區(qū)域，圖（b），（c）和（d）分別表示和信號(hào)，方位差和俯仰差信號(hào)在喇叭中傳輸?shù)膱?chǎng)分布。

圖5（a） 中左邊的和差信號(hào)是由SIW單脈沖網(wǎng)絡(luò)形成的。經(jīng)SIW縫隙單元輻射出的初級(jí)單脈沖信號(hào)，進(jìn)入喇叭后與不同截面上的場(chǎng)相匹配，最終在喇叭的口面輻射出所需要的單脈沖方向圖。由上圖可以看出， 在口面上形成相應(yīng)的和信號(hào)，方位差以及俯仰差信號(hào)，場(chǎng)匹配以及輻射結(jié)果令人滿意。

4 結(jié)果與討論

結(jié)合上述理論分析，我們仿真得到喇叭口面輻射方向圖，如圖6所示。

圖6（a） 給出了Phi = 0。、30。、60。、90。、120。和150。這六個(gè)面的仿真和方向圖，可以看出各個(gè)面的和方向圖的等化性能很好，圖6 （b） 所示為俯仰面和方位面的差方向圖。圖7給出了和差端口的仿真駐波比圖，在14-14.5GHz范圍內(nèi)VSWR

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