李伟泽，杨晓庆，卢萍

(四川大学电子信息学院，成都610065)

0 引言

径向线性槽阵列天线因其高增益、低剖面和生产成本低等优点被广泛用于微波和毫米波系统[1]。此外，由于径向线性槽阵列可以通过调整槽的位置和尺寸灵活的控制波束形状和旁瓣电平而被广泛用于无线通信、微波探测和微波成像等[2]。

目前已有多种基于径向线性槽阵列设计的天线，文献[3]基于圆柱波导设计了一款共形天线，由于场分布的限制只获得了4%的带宽。文献[4]基于平行平板波导，在中心频率30GHz处焦点直径达到了40mm，旁瓣峰值电平达到了-15dB，获得了2.5%的相对带宽。文献[5]通过在径向波导表面加载金属光栅，在30GHz处焦点直径达到了15mm，获得了6.7%的带宽。由于径向线性槽阵列的缝隙工作于谐振状态，谐振缝隙阵列的工作带宽不仅受到输入匹配的限制，而且还受到场分布的限制[3]。因此径向线性槽阵列天线大多属于窄带天线，这极大地限制了其在微波成像方面的应用。

本文提出了一种可应用于微波探测和微波成像的宽带径向线性槽阵列近场聚焦天线。首先通过投影方法推导目标波束所需的孔径场分布，然后使用MATLAB-HFSS联合仿真方法优化阵列中槽的分布以满足孔径场，同时在迭代过程中将带宽信息反馈给优化程序，最终得到阵列中槽的位置与尺寸。实验结果表明，该天线达到了7.2%的相对带宽，适用于微波探测、微波成像等近场应用。

1 天线结构设计

径向线性槽阵列天线的设计过程遵循文献[6]中提出的设计方法。我们的目的是在天线近场距离天线表h=40mm的位置处形成聚焦波束，并且将焦点直径小于35mm，旁瓣峰值电平小于-15dB作为约束条件。此外，天线中心频率为12.5GHz，带宽为1GHz。天线的设计过程分为两步，第一步通过投影方法将位于h处的目标轮廓及其约束条件转化为天线表面的目标孔径场分布[7]。第二步在平行平板波导上方开槽，通过多次迭代优化槽的位置与尺寸以拟合目标孔径场分布。在优化过程中，将槽和馈电对带宽的影响一同纳入优化程序中，通过多次迭代调整槽的布局以满足目标孔径场分布。在本次设计中，天线的收敛规则是溢出效率大于95%并且实际孔径场与目标孔径场之间的误差小于3%[8]。天线的溢出效率ηs如下：

(1)

其中Pacc是天线接收的功率，Ptra是在平行平板波导中的剩余功率。

通过上述设计方法，最终的天线结构如图1所示，该天线由平行平板波导组成，用金属边界连接上下两块金属板。波导内部填充相对介电常数εr=2.2厚度hp=7.6mm的介质F4B，天线尺寸为150mm×150mm。在平行平板波导的上表面蚀刻槽阵列以辐射电磁波，下表面接地。天线通过固定在天线背部的同轴探针连接50ΩSMA接头进行中心馈电，如图1所示。同轴探针内导体直径为Din，外导体直径为Dout，内导体距波导上表面的距离为hc。通过调整hc，可以实现良好的输入匹配。

图1 天线结构示意图

径向波导内部填充介质是为了形成慢波结构，减小波导波长，使槽间距的电尺寸增大，以此达到抑制旁瓣增加带宽的目的。槽的位置和尺寸由MATLAB-HFSS联合仿真方法计算得到，如表1所示。其中所有的槽具有相同的宽度ws，槽的径向半径是ρi，每一环中的槽长度ls是固定的。天线所有的设计参数在表2中列出，其中ρ0代表天线半径。

表1 径向线性槽天线每一环中槽的位置与尺寸

表2 天线参数(单位：mm)

2 结构主要参数分析

径向波导内部填充介质是为了形成慢波，慢波是一种相速度小于真空中光速的电磁波。由于慢波结构相速度较小，且不是理想的导行波结构，其相速度和频率具有相关性。在慢波结构中，电磁波的相速度会随频率的变化而变化，这种现象被称为色散特性。研究发现，相速度减小会使色散曲线较为平坦，从而增加工作带宽[9]。然而，介质的厚度与相速度具有相关性，对色散的影响程度较大，选择合适的厚度对天线带宽和辐射效率尤为重要。本小结使用HFSS数值仿真软件，分析径向波导内部填充介质的主要参数(相对介电常数εr、厚度hp)对天线性能的影响。

2.1 介质的厚度hp对天线性能的影响

在径向波导中，介质不仅仅起支撑作用，介质的厚度影响着天线的带宽。在此分别取介质厚度hp为7.3mm、7.6mm、7.9mm进行仿真分析，天线反射系数|S11|如图2(a)所示。从图中可知，随着介质厚度增加，天线低频段实现良好的匹配，中高频段反射系数恶化，导致带宽减小。当介质厚度减小时，天线在高低频段两端实现良好的匹配，但中间频段的反射系数恶化使得带宽减小。本文选择介质厚度hp为7.6mm，其不仅满足带宽设计要求，而且在带宽频段内保持良好的聚焦特性。

(a)

2.2 介质的相对介电常数εr对天线性能的影响

在波导内部填充介质是为了形成慢波以增大辐射效率和带宽，其相对介电常数是十分重要的参数。研究发现，相对介电常数太小会导致辐射效率降低，反之，相对介电常数太大会由于电长度效应导致带宽变窄[10]。我们选择相对介电常数εr分别为2.2、2.35、2.65的F4B材料进行仿真分析，天线反射系数|S11|如图2(b)所示。从图中可以看出，当εr为2.2时，天线在频率为12-13GHz内具有良好的匹配。当增加至2.35时，频段向低频偏移，高频段匹配恶化。当εr增加至2.65时，天线匹配在频段12-13GHz内几乎都出现了恶化，不符合设计要求。最终，我们选择相对介电常数为2.2的F4B材料作为填充介质。

(b)

3 结果与讨论

3.1 仿真结果

基于上述设计方法与表格中的尺寸，在仿真软件HFSS中建模并仿真。仿真得到的反射系数|S11|如图3所示，从图中可以看出本文提出的天线的中心频率为12.5GHz，工作带宽为1GHz。图4(a)显示了不同频率对应的电场归一化z分量|Ez|。从图中可以看出，在频率为12.3GHz和12.7GHz时，虽然波束的旁瓣较高，但是其焦点直径与中心频率产生的焦点直径相同，表明该天线在宽带内保持了良好的聚焦特性。图4(b)显示了沿OZ轴电场的归一化z分量|Ez|。可以看出在z=40mm处中心频率对应的电场达到最大值，也就是焦点所在的位置。在频率为12.3GHz和12.7GHz时，天线的焦点分别在z=32mm和z=43mm。当z=40mm时，电场的归一化法向分量|Ez|在方位角φ=0°、45°和90°处的轮廓如图5(a)所示，可以看出不同方位角的轮廓图基本相同，说明该天线产生的聚焦波束具有良好的对称性。

图3 天线反射系数

(a)

(b)

(a)

(b)

3.2 实验结果与讨论

为了验证本文所提出天线的性能，我们制作了天线实物如图5(b)所示，并对其进行了测试。天线基于平行平板波导制作，波导上表面使用激光蚀刻开槽，内部填充介质F4B，天线上下表面通过塑料螺钉固定在一起，四周用铜箔将波导包围形成一个封闭空间。最后，使用焊锡将SMA接头连接在波导下表面用作馈电。

图3显示的是天线的测试|S11|参数，|S11|参数的测量采用的是KEYSIGHT公司生产的矢量网络分析仪，型号为N5232A。从图中可以看出天线的带宽为0.9GHz(11.9-12.8GHz)，且小于仿真的带宽。通过分析发现，这是由于SMA接头内导体长度过大和波导内部介质存在缝隙导致的。由于加工工艺限制，SMA接头无法精确剪切到合适的长度，导致天线频带向低频偏移。此外，使用塑料螺钉固定天线会使天线内部介质与上下表面之间存在缝隙，导致带宽减小。虽然实验结果存在频偏，但测试的工作带宽仍然能够覆盖中心频率12.5GHz，并且天线电场分布都在中心频率处测量。图5(a)显示了在z=40mm且方位角φ=0°、45°和90°处电场的归一化法向分量|Ez|，可以看出天线的焦点尺寸为30mm，峰值旁瓣电平为-17.5dB，与仿真结果具有良好的一致性。

4 结语

本文基于径向线性槽阵列提出了一种宽带近场聚焦天线，仿真和测试结果表明该天线具有7.2%的相对带宽，且焦点直径较小，旁瓣电平较低，在微波检测和成像方面具有很好的应用前景。