基于连续横向枝节的波束扫描天线研究进展

近年来空天地技术飞速发展,大量不同轨道卫星与地面各种移动载体的实时高质量无线通信要求天线具有波束扫描性能,且易共形、重量轻、成本低、功耗小。与反射面和相控阵天线相比,基于平行板波导(Parallel Plate Waveguide,PPW)的连续横向枝节(Continuous Transverse Stub,CTS)天线较易于满足诸多要求。文章首先阐述了CTS天线及其扫描工作原理;然后对机扫和频扫天线的研究进展分别做了分析和总结,实现俯仰面机扫的方法有三种:移动馈源、可变倾角CTS天线和旋转加载在CTS天线上方的相移超表面。同时,整体旋转天线阵列还可进行方位面扫描,即实现二维机械扫描。最后指出CTS波束扫描天线所面临的问题、挑战和下一步研究方向。

高功率微波径向线连续横向枝节阵列天线设计

为了实现Ku波段高功率微波的定向发射,研究并设计了新型高功率径向线连续横向枝节阵列天线。该天线采用圆极化同轴TE11模式进行馈电,经双层径向线波导传输后,通过连续横向枝节单元向外辐射。天线工作在驻波模式,相邻两圈缝隙的径向间距为一个波导波长,在上层径向线末端放置短路金属杆,金属杆表面到最内侧缝隙的径向间距为半个波导波长,整个天线具有较高的增益和功率容量。仿真研究了一个工作在14.25 GHz的天线,天线的高度为80 mm,半径为285 mm。仿真结果表明:该天线具有35.3 dBi的增益和47%的口径效率,反射系数小于-25 dB,辐射效率超过99.0%,同时具有吉瓦级的功率容量。

一种基于脊间隙波导的宽频带馈电线源设计

设计了以脊间隙波导(RGW)功分网络为基本结构的宽频带馈电线源,该线源可用以激励平行板波导中的准TEM模式波,并用作宽带连续横向枝节(CTS)天线的馈电结构。首先对RGW阻带和单模带宽特性进行分析,以确定RGW的结构参数;进一步研究了宽带1分2功分器的设计方法、RGW模式到平行板波导模式的过渡结构方案;借助多级阻抗匹配和感性金属柱加载技术,实现了低反射等功率分配,以及输出端口到平行板波导的宽带匹配;最后将各分级结构级联得到1分8 RGW网络线源。对宽频带馈电线源进行了样机加工、装配和测试,在12 GHz~22 GHz频率范围内,其反射系数低于-15 dB,实测方向图与等幅同相均匀线源方向图吻合度很高,证明该馈电线源幅相一致性优异,是一种高效率的CTS天线馈电线源。

基于SIW的多波束CTS阵列天线设计

文中设计了一款基于基片集成波导(SIW)的毫米波高增益多波束连续横向枝节(CTS)阵列天线,它通过切换馈电端口实现多波束功能。该天线整体结构简单,采用印刷电路板工艺实现。天线主要包含馈电喇叭、平面波转换结构以及辐射结构三个部分,由三层基板构成。馈源为基于SIW的馈电喇叭,并在口径处添加匹配结构以提高其辐射性能;平面波转换结构由SIW抛物面和渐变耦合槽组成,可将馈电喇叭辐射出的柱面波转换为幅度服从泰勒分布的平面波进而为CTS阵列馈电,因此天线具有低副瓣的特性;辐射结构为1×8的CTS阵列,通过优化缝隙宽度以保证每个单元辐射出相等的能量。天线工作在30 GHz,通过切换馈电端口可在±20°范围内实现波束切换,天线测试结果与仿真结果吻合,验证了设计的合理性。

基于SIW的宽角度波束扫描CPW-CTS天线阵设计

本文基于基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)提出了一种具有宽扫描角度的连续横向枝节(continuous transverse stub,CTS)频扫天线阵。沿纵向周期排列在共面波导馈线(coplanar waveguide,CPW)上的SIW结构CTS阵列向空间辐射电磁波。提出一种新型宽带CPW慢波结构作为天线阵的馈线,用以增大相邻天线单元之间的相位差,在8.6~13.7GHz频带内,相位变化范围在89.3°^-83.3°,从而使天线阵主波束随频率实现大范围扫描。为了减少天线阵的后向辐射,在其背面1/4波长处加反射板。设计了一个4元SIW结构CPW-CTS天线阵,利用全波仿真软件HFSS进行了分析。结果表明,在8.6~14GHz频带内天线阵反射系数小于-10dB,随频率增大实现E面-40°~56°的扫描,在各方向上的最大增益在9.8~12.3dBi。

基于波导功分馈电的CTS阵列天线设计

本文设计了一种具有高增益、高效率、低损耗特性的16单元连续横向枝节(continuous transverse stub,CTS)天线阵列。该天线的辐射枝节部分采用了串联的结构来降低损耗,从而提高辐射效率,并且使用了功率分配器和辐射器组合的方式给CTS阵列天线进行馈电,改善了CTS阵列天线的阻抗匹配和方向性,使天线可以在双频段工作。对设计的天线采用电磁仿真软件HFSS进行仿真优化,仿真结果表明,CTS阵列天线在75~80 GHz和85-89 GHz双频带内S11值小于-10 dB,工作频率在78.8 GHz时增益为28.6 dB,在87.5 GHz时增益为28.4 dB,天线效率均超过50%,主瓣波束宽度为4.4°。

基于并联功分馈电的双频低副瓣CTS天线设计

针对卫星通信系统的多功能化应用需求,设计一款双频、低副瓣并馈连续横向枝节(Continuous Transverse Stub,CTS)天线。天线采用共享口径,并联馈电与辐射枝节非均匀能量分布相结合的方式实现双频低副瓣特性,并用平行板双工器实现高/低频信号的隔离。仿真结果显示,天线在两个频段内(17.7~21.2 GHz、27.5~31 GHz)E面副瓣电平均低于-20 dB,端口隔离度在低频优于20 dB,高频优于25 dB,增益分别为26.4~27.6 dB和30.6~31.4 dB,口径效率分别为75%~82%和85%~89%。

基于抛物面反射器馈电的多波束CTS阵列天线设计

本文设计了一种工作于Ku频段的多波束连续横向枝节(CTS)阵列天线,该天线通过切换馈电端口实现多波束扫描。该天线主要由抛物面反射器波束成形网络(BFN,beamforming networks)以及CTS辐射枝节两个部分构成,结构简单,采用PCB(印刷电路板)工艺制作。其中抛物面反射器波束成形网络包括基于SIW的H面扇形馈电喇叭以及抛物面反射器平面波转换结构;辐射部分为串馈CTS天线,通过预偏20°实现H面正方向波束扫描。天线工作在12.5GHz,通过改变馈电喇叭可实现0°-60°的大扫描角度。