【實(shí)驗(yàn)案例】帶集成功率分配器的全介質(zhì)棒天線陣列

【實(shí)驗(yàn)案例】帶集成功率分配器的全介質(zhì)棒天線陣列帶集成功率分配器的全介質(zhì)棒天線陣列是一種特殊的天線系統(tǒng)，它結(jié)合了全介質(zhì)棒天線的高輻射效率和良好定向性，以及集成功率分配器的靈活分配功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更靈活的天線性能。通過集成功率分配器對各個(gè)介質(zhì)棒天線單元的饋電進(jìn)行精確控制，可以實(shí)現(xiàn)波束的精確賦形和掃描，滿足復(fù)雜通信和雷達(dá)系統(tǒng)的需求。實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕诙嗄８蓴_原理的功率分壓器設(shè)計(jì)，旨在通過單一步驟實(shí)現(xiàn)既包含一維又包含二維功率分配的功能，從而顯著減小天線陣列的尺寸與重量。為了驗(yàn)證這一創(chuàng)新概念，我們設(shè)計(jì)、制造并表征了兩種集成功率分配器支持的全介質(zhì)天線陣列：1×4和4×4配置，這些陣列采用交聯(lián)聚苯乙烯材料精細(xì)研磨制成，工作頻率覆蓋90GHz至105GHz的頻段。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)陣列設(shè)計(jì)：集成式的功率分壓器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)直接嵌入天線陣列中，減少了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的額外組件和連接，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化。材料選擇：選擇交聯(lián)聚苯乙烯材料作為主要材料，因其具有良好的介電性能和加工性。同時(shí)還對比了PrepermL300和PrepermL440兩種材料在1×4陣列中的應(yīng)用。制造工藝：所有演示樣品均通過高精度銑削技術(shù)完成，同時(shí)也采用3D打印或注塑成型技術(shù)。性能評估增益與方向性：根據(jù)陣列的具體尺寸和材料選擇，增益范圍在12.5dBi至22dBi之間，顯示出優(yōu)異的輻射效率和方向性。同時(shí)，副瓣電平保持在7.5dB以下，確保了良好的波束質(zhì)量和抗干擾能力。小型化與波束導(dǎo)向：通過集成功率分壓器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了天線陣列的小型化。圖1所示為集成功率分流的DRA陣列，1×4陣列。該饋電結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)為一個(gè)亞波長分布式波導(dǎo)（DWG），其邊長a為1.8毫米，并且這個(gè)饋電結(jié)構(gòu)位于功率分配器（PowerDivider）部分的中心位置。這樣的亞波長DWG足夠大，可以進(jìn)行機(jī)械處理和穩(wěn)定，但仍保持單模傳播。為了減輕輻射損失，MMI截面不會立即加寬到最大寬度w=12.25mm。圖2（a）顯示了用交聯(lián)聚苯乙烯材料研磨制作成的天線。為了測量，介電饋電被連接到一個(gè)WR10空心波導(dǎo)到介電波導(dǎo)躍遷。天線和波導(dǎo)過渡一起安裝在轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行模式表征（圖2b）。參考天線為22dBi標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線。圖3概述了增益、副瓣電平（SLL）和輸入反射隨頻率變化的行為。測量得到的增益在16.5dBi至18dBi之間，而在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，副瓣電平保持在-10dB以下。為了驗(yàn)證實(shí)際中的1/16功率分配以及模擬的相應(yīng)相位分布，采用交聯(lián)聚苯乙烯材料整體銑削了1:16功率分配器。由于實(shí)驗(yàn)室中只能同時(shí)測量兩個(gè)端口，而其他所有端口都必須良好匹配，因此需要實(shí)現(xiàn)可適應(yīng)的端口訪問。這通過使用插針-插孔結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，以便能夠?qū)y量探頭或輻射元件連接到端口上。當(dāng)測量一個(gè)端口時(shí)，會連接一個(gè)介電輸出，而其他所有端口則用輻射錐面終端連接，以便從被測端口輻射出去。這種測量原理如圖4所示。沿介質(zhì)棒天線（DRA）元件的受控相位差提供了合理的波束控制能力。相控陣可以提供可重新配置的相位關(guān)系，以引導(dǎo)波束向不同方向傳播，但必須通過使天線元件靠得更近來抑制柵瓣。為了評估小型化和波束控制能力，研究了高介電常數(shù)材料。出于設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證方面的簡單性考慮，這里僅考慮一維天線陣列。然后，將它們與上文介紹的1×4陣列進(jìn)行比較。該設(shè)計(jì)簡單明了，由于介電常數(shù)的增加，單模光纖的尺寸會減小。同樣，MMI部分的總體尺寸也會減小，從而允許更緊湊地放置輸出端口，進(jìn)而使天線元件更加緊湊。所考慮的材料是Premix的PrepermL300和L440，它們的后繼產(chǎn)品現(xiàn)在分別被稱為PrepermPPE300和PPE440，，其相對介電常數(shù)分別為εr,L300=3.0和εr,L440=4.4。表1比較了這些材料和天線陣列的重要參數(shù)。所有陣列均作為整體從相應(yīng)材料上銑削而成，如圖5所示。與使用交聯(lián)聚苯乙烯材料相比，使用PrepermL440可使橫截面積減少52%。事實(shí)上，特別是在L440的情況下，模擬預(yù)測的匹配比測量的更差，突出了在測量范圍內(nèi)材料的損失切線的不確定性。此外，這兩種高介電常數(shù)結(jié)構(gòu)都必須手動調(diào)整，以適應(yīng)WR10的過渡，這增加了公差。綜上，介質(zhì)棒天線已被證明是一種易于控制的天線元件，因?yàn)閮H需要錐形化單模波導(dǎo)即可形成天線。由于功率分配具有相等的幅度但不一定具有相等的相位，因此為了獲得滿意的天線方向圖和增益，必須進(jìn)行相位調(diào)整。因此，介質(zhì)棒天線（DRA）顯示出不同的錐形長度。本文提出了一種一維和二維介質(zhì)棒天線陣列，其增益范圍在12.5dBi至22dBi之間，具體取決于陣列大小、頻率和材料。在設(shè)計(jì)范圍90GHz至105GHz內(nèi)，旁瓣電平低于-10dB，但由PrepermL440制成的陣列除外。所提出的具有較高介電常數(shù)的材料L300和L440在減小尺寸和重量以及減小元件間距的同時(shí)，整體性能可與介電常數(shù)較低的1×4交聯(lián)聚苯乙烯陣列相當(dāng)。在所有提出的設(shè)計(jì)中，模擬結(jié)果與測量結(jié)果均顯示出良好的一致性，