低电压驻波比、高效波导天线阵

文摘

低电压驻波比、高效操作Ku波段的卫星通信天线阵提出了。实现高辐射效率和广泛的足够的带宽,全金属辐射元素和企业全额波导喂养网络工作。作为普通铣削方法用于多层天线阵制造、采用平面波导喂养网络来抑制造成的漏波不完美的相邻层之间的连接。一个4×8元素数组原型制造和测试验证。提出了天线阵列的测量结果显示带宽的6.9% (13.9 -14.8 GHz)电压驻波比< 1.5。此外,天线增益和效率高于22.2也表现出dBi和80%,分别。

1。介绍

开槽波导天线阵具有如高功率容量、传输损耗低、低交叉极化水平。因此,它广泛应用于雷达和通信系统(1- - - - - -3]。之一,然而传统的开槽波导天线阵的主要缺点是其固有的窄带宽的长线效应,和增加的带宽将成为窄数组大小。开槽波导天线阵列的其他缺点是高制造成本,因为专业制造技术,如沉浸钎焊总是在制造过程中应用。

最近,企业会费hollow-waveguide槽在毫米波阵列(毫米波)乐队与多层结构已报告(4- - - - - -7),并通过应用企业会费方法,阻抗带宽的8%到12%(在电压驻波比< 2)可以获得没有表现出任何束斜视。天线制造一个高效的方法称为扩散连接天线阵列的制造、使用和可以实现高达80%的辐射效率。然而,因为它是难以实现高温和统一的压力在制造过程中大规模阵列,这种独特的制造方法不适合数组制造的低频段,比如那些在Ku波段。因此,提出了一种多层企业会费槽天线阵和通过使用简单的铣削制造过程(8- - - - - -10]。尽管如此,这个报道天线阵的波漏层之间无法避免,因为喂养网络下面是一个使用平面波导型。

最近,大量的天线阵的设计工作在Ku波段波导馈电网络也有卫星系统应用程序(11- - - - - -15]。尽管所有这些天线阵的设计已经成功地报道,然而,他们表现出某些缺点,可能会影响性能。例如,微带天线元素和波导馈电网络已经应用于(11,12),他们表现出元素损失,导致较低的效率。尽管之间的耦合元素(13)强,然而,这将减少天线阵的性能,当数组变大。这个设计其他的缺点是其复杂的结构;因此大规模生产该数组将是非常困难的。在[14],connected-dipole活动数组,数组用作被动当元素由一个微带网络,效率不高。在[15),连续横存根阵列提出了卫星通信;然而,结构也很复杂,不太适合小尺寸阵列设计。

因此,在本文中,一个孔径尺寸110×55毫米²企业会费缝隙天线阵列提出了平面波导喂养网络。该天线阵由三层组成,即辐射槽层,空腔层和网络层。在这里,平面波导喂养网络是用来减少波漏考虑相邻层之间存在差距在现实制造。天线原型是通过制作简单的铣削过程。实验结果表明,该天线具有低电压驻波比和辐射效率高(> 80%)的特点。天线设计的细节和测量结果如下面所示。

2。天线阵列的配置和设计

图1展示了三维(3 d)的观点提出了天线阵结构。天线阵列是一种多层类型主要由三层组成,即天线辐射槽,共振腔,和喂养网络,分别从上到下。2×2元素子序列作为一个单位以下是为了尽可能地减少栅瓣的发生(4,8]。喂养网络采用的设计平面波导型,所以波漏组装后是可以预防的。在一侧还有一个SMA-waveguide过渡波导端口转换为SMA端口。

图2显示了2×2子阵列配置与相关结构参数,也是由三个部分组成。该子数组的工作机制如下:(1)的能量是耦合的平面波导层底部的共振腔位于中间层通过耦合槽;(2)有两个腔的双侧墙分割高谐振模式的目的,这是类似报道(4,8];(3)2×2辐射槽顶部共享相同的共振腔。由于高次模的共振也可以兴奋,辐射槽可以同样兴奋。在这里,模拟场分布辐射槽的顶部的中间和底部共振腔图所示3。在波导层底部,(一个小缺口×)加载波导的一个角落里,和一个距离分离的耦合槽波导边缘。值得注意的是,这两个参数是实现天线的阻抗匹配。

全面发展,将2×2子数组转换为一个更大的阵列天线类型、合适的飞机因此corporate-feed-network是必需的。然而,企业全额不能简单地由平面波导喂养网络连接和连接在报道4,8),因为t形的输出端口不同相的平面波导连接是兴奋。图4提出了提出了企业全额的配置平面波导喂养4×8阵列网络,和表1给出了天线阵的完整详细的尺寸。可以看出,由于空间限制,仔细一些的波导弯曲和连接路由。同样值得注意的是:每一个机械层的表面粗糙度不是非常严格的在这工作,因此没有必要使用更多的螺丝按两层很难在一起。因此,这些因素导致了这种提议的优点天线在制造(缓解),收益率较低的制造成本。

3所示。设计进化和参数研究

进一步理解这个天线的设计,等一些重要参数 , ,和进行了分析和介绍。模拟电压驻波比的调优2×2子数组的长度()和宽度()的辐射槽的数据5和6,分别。如图5、调优9.9和11.9毫米之间会影响上部和下部操作频率的阻抗带宽以及电压驻波比< 1.5阈值,即使两个共振约13.9和14.5 GHz几乎未受影响。在这种情况下,最优选为10.4毫米,因为它可以给理想的带宽大约13.67 - -14.68 GHz(以及电压驻波比< 1.5),表现出更好的两个谐振阻抗匹配。如图6,宽度的增加由1毫米(4至6毫米)会导致较低的共振转移到低频段(大约14.3 GHz 13.73 GHz)。此外,调优也将高度影响操作阻抗带宽。在这里,最优选为5毫米,因为它展品最宽的电压驻波比< 1.5带宽。除了优化辐射槽 ,模拟结果如图7显示不同的距离(从0.8到2.8毫米)也表现出类似的共振频率从大约14.3 GHz 13.7 GHz。因此,在这种情况下,最优选为1.8毫米。

4所示。模拟和测量结果

4×8天线阵的设计进行了分析通过使用商业模拟器Ansoft基于。所示的参数数据2和4进行了优化和最后的维度表中列出1。铣削技术应用在这种情况下制作天线的原型。如图8,此原型天线的材料是铝。值得注意的是,该层分区的实际力学模型如图略有不同的层2。这是因为为了抑制相邻层之间的漏波,波导是故意把中间的corporate-feed-networks的飞机,可以获得最小的电流,这样造成的空白分区和紧电接触的金属层不重要9]。

天线的电压驻波比原型被安捷伦N5224A网络分析仪测量。测量和模拟电压驻波比的结果如图所示9可以观察到,好的协议。低电压驻波比小于1.5(电压驻波比< 1.5),提出了天线阵测量带宽的6.9% (13.9 -14.8 GHz)。在远场辐射模式测量范围消声室。模拟和测量的辐射模式飞机和面提出了天线阵的14.5 GHz(中心频率)如图10。模拟和测量模式之间的良好验证也观察到。在这个图中,意识到旁瓣水平(SLL)不是很低(约−14 dB),因为数组的每个元素表现出统一的激励。如果需要降低SLL,锥形分布(如泰勒和切比雪夫分布)技术可用于阵列设计。值得注意的是,这种技术研究(10),一个不平等的权力划分结在喂养的网络应用。然而,这项技术的使用将增加生产难度的工作,并不是有利的,在这种情况下。

提出实现增益的天线阵测量通过应用传统gain-comparison方法(4]。图11显示的模拟和测量实现增益和效率提出了天线阵。在这个图中,稳定的增益变化之间22.2 dBi和22.9 dBi的操作带宽(电压驻波比< 1.5)13.9 - -14.8 GHz的测量。这里,衡量收益大约0.2 - -0.8 dB低于模拟的。超过80%的孔效率高也实现了在同一操作乐队(13.9 -14.8 GHz),它可以在某些频率点90%。

表2显示了比较之间的性能提出了天线阵(这项工作)和这些相关的天线阵列报道,也在Ku波段操作。尽管操作提出了一个可能窄带宽的带宽比(4,8,12),通过进一步观察这个表,该天线提供了非常高的Ku波段辐射效率超过80%(与铣削过程)。从这个表中,最主要的一个优点(新颖)建议工作是它易于制造,从而导致在大规模生产降低生产成本。

5。结论

多层缝隙天线阵列与4×8元素已成功提出Ku波段。企业全额馈电网络使用在这种情况下达到理想的带宽的6.9%(电压驻波比< 1.5)没有梁斜眼。此外,平面波导也采用防止漏波,进而可以实现高辐射效率超过80%,即使考虑铣削加工过程。由于其孔径尺寸紧凑,效率高,这提出了天线阵是一个很好的候选人Ku波段卫星通信。

的利益冲突

没有相关的利益冲突。

确认

这项工作得到了广东省科技项目批准号。2015年a010103019和2017 a010101038。

引用

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