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带有辐射增强结构的毫米波窄边直线渐变微带缝隙天线研究

关福宏 孙晓玮

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200051)

摘 要：本文主要设计了适用于阵列毫米波成像系统馈源的Ka波段宽频带直线渐变式微带缝隙天线。运用在天线辐射开口处加印刷偶极子的结构优化天线的辐射特性，采用皱褶边缘结构去除有限地平面的影响，设计出适合馈源阵列的长度36mm，总宽度10mm，边缘宽度仅为2.5mm的窄边直线渐变式微带缝隙天线。天线的中心频率35GHz，测试结果表明在10GHz频带范围内天线增益平坦、约为12dB，回波损耗小于-10dB。 关键词：渐变缝隙天线 馈源 宽频带

Research On Narrow Edges Tapered Slot Line Antennas

with Enhanced Radiation Structure

Guan Fuhong Sun Xiaowei

(Shanghai Institute of Microsystem & Information Technology of CAS, Shanghai, 200050)1

Abstract: this paper performs study of Ka-band plane tapered slot line (TSL) antenna aiming at antenna feed arrays for MMW imaging radiometer system. Dipole in the slot structure is added to optimize the radiation characteristics and corrugated edges structure is used to offset the degraded radiation patterns of reduced size of the TSL antenna. A narrow edges, wide-band planar TSL antenna with a length of 36mm, a width of 10mm and the edge width only 2.5mm is designed. The centre working frequency is 35GHz. Measured results show this antenna achieves a gain about 12dB in10GHz frequency range and the return loss less then -10dB Keywords: Tapered slot line antenna，broadband ;feed source

大天线的物理面积的前提下，我们采用褶皱边缘和缝隙加偶极子的新型结构增强缝隙对电磁场的辐射能力，抑制有限地的影响。文献[5]采用了类似的方法，但是该文献中的缝隙天线较短，已不属于行波天线；而且，文中是将用于改善辐射特性的偶极子放在天线的辐射端口以外的位置，实际上相当于加长了天线的总长度，另外该文仅给出这种方法的仿真结果，并没有实际的测试结果。

1 引言

渐变式微带缝隙天线的辐射原理与微带贴片、微带振子等不同,它属于端射式行波天线，具有频带宽、增益、方向性中等、低旁瓣、波束对称[1, 2]等特点。同时因其在结构上属于平面天线，结构简单、重量轻，易于和射频集成电路集成、对加工精度要求低而具有成本低、容易实现的特点而越来越受到关注。?

改进天线的辐射特性[3, 4]方法有很多种，在不增

?

2 改进的直线渐变微带缝隙天线

改进后的渐进式缝隙天线的基本几何结构如图1所示。

·1·

基金项目：国家973项目(2009CB320207)；国家自然科

学基金项目(60771058)

辐射缝隙中引入偶极子结构，天线的边缘采用周期褶皱结构，具体尺寸如表1所示。

（a）传统天线结构

（b）改进后的天线结构

图1 渐进式平面缝隙天线结构

表1 Ka波段直线渐变式微带缝隙天线几何尺寸

参数名称 参数值 参数名称 参数值 L（mm） 36 X 1 W（mm） 5 DS（mm） 0.2 D（mm） 2.5 DD（mm） 2.5 CW（mm） 0.8 DL（mm） 2 CL（mm） 2.3 DW（mm） 0.2 3 天线辐射特性分析

3.1 天线设计

3.1.1 渐变缝隙加偶极子结构

偶极子的几何尺寸约为中心频率的对应的自由空间的四分之一波长，固定天线的W=5mm，L=36mm，D=2.5mm，CL=2.3，CW=0.8mm，X=1，中间缝隙DS=0.2mm、长度DL=2mm，扫描距离辐射端的距离Dis。偶极子在不同位置时的天线辐射特性如图2所示，可见，在辐射缝隙中引入偶极子结构，将引起行波相速度的改变，恰当的选择偶极子的尺寸和位置，能使行波阻抗与自由空间中的波阻抗实现更好的匹配，从而使有效辐射能力增强，改善了天线的远场特性。

·2·

（a）增益

（b）前后比

图2 F=35GHz不同位置DD偶极子对应天线辐射特性

3.1.2 褶皱边缘结构

为了得到较好辐射场，通常情况下，天线开口边缘距离基片的宽度D约为2?0，但是为了实现阵列应用，必须尽可能的减小D，因此确定D=2.5mm。为了尽可能减小有限地对天线辐射特性的影响，边

缘采用褶皱结构[6，

7]。图3是采用褶皱边缘结构的天线表面电流分布，可见在天线地平面的边缘处基本没有能量的反射，从而较好的保证了天线的行波辐射。

图3 改进后F=35GHz时天线表面电流分布

3.2 仿真结果

表2对三种结构的天线辐射特性进行了比较，传统结构即D=2?0时天线的辐射特性。可见，在采用皱褶边缘结构后，天线的辐射特性与传统结构相比已经比较接近，3dB波束 E面略变窄，H面略有展宽；10dB波束 E面H面均略有展宽，其中H面比E面展宽的更多。在引入偶极子结构后，获得了

比较对称的波束，增益提高接近1dB，最显著的是前后比有明显改善，由原来的25.4dB提高到33.5dB。图4为采用这三种结构的直线渐变缝隙天线在频率为35GHz的辐射方向图。可见改进后的天线结构有效的抑制了有限地平面对辐射特性的影响，改善了辐射特性，实现了尽可能小的体积的条件下，保证天线的辐射能力的要求。

表2 Ka波段直线渐变式微带缝隙天线性能比较

条件 传统结皱褶边皱褶边缘+构 缘 偶极子 3dB波束E平面 38 33 36 宽（度） H平面 34.5 36 38 10dB波束E平面 54 56 56 宽（度） H平面 54 58.5 58 前后比（dB） 25.4 30.0 33.5 增益（dB） 12.37 12.5 12.92

（a）

（b）

图4 频率F=35GHz时，改进后和未改进结构的天线方向图

比较，a、E面 b、H面

A——皱褶边缘+偶极子、B——皱褶边缘、C——传统结构

4 天线的加工测试

天线及馈电结构制作在厚度0.254mm、介电常数2.2的5880基片上，天线的实物如图5所示。天线的馈电方式采用文献[8]中的方法,实现了槽线-微带的转换，展宽了槽线的宽度，便于微带线与单片集成电路进行系统集成。应用hp8722D矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行了测试，测试结果表明在30GHz-40GHz频率范围内该天线的回波损耗均小于-10dB。图6为频率35GHz天线测试和仿真方向图。图7所示为频率对应最大增益测试曲线，验证该天线的宽带特性。测试结果表明在30GHz-40GHz频率范围内该天线的回波损耗均小于-10dB，具有平坦的增益，最大增益约为12dB。

图5 改进的Ka波段直线渐变式微带缝隙天线

（a）

（b）

图6 35GHz天线方向图a、E面，b、H面

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