【实验案例】带集成功率分配器的全介质棒天线阵列

【实验案例】带集成功率分配器的全介质棒天线阵列带集成功率分配器的全介质棒天线阵列是一种特殊的天线系统，它结合了全介质棒天线的高辐射效率和良好定向性，以及集成功率分配器的灵活分配功能，能够实现更高效、更灵活的天线性能。通过集成功率分配器对各个介质棒天线单元的馈电进行精确控制，可以实现波束的精确赋形和扫描，满足复杂通信和雷达系统的需求。实验目的基于多模干扰原理的功率分压器设计，旨在通过单一步骤实现既包含一维又包含二维功率分配的功能，从而显著减小天线阵列的尺寸与重量。为了验证这一创新概念，我们设计、制造并表征了两种集成功率分配器支持的全介质天线阵列：1×4和4×4配置，这些阵列采用交联聚苯乙烯材料精细研磨制成，工作频率覆盖90GHz至105GHz的频段。设计与实现阵列设计：集成式的功率分压器结构，该结构直接嵌入天线阵列中，减少了传统设计中所需的额外组件和连接，从而实现了结构的小型化和轻量化。材料选择：选择交联聚苯乙烯材料作为主要材料，因其具有良好的介电性能和加工性。同时还对比了PrepermL300和PrepermL440两种材料在1×4阵列中的应用。制造工艺：所有演示样品均通过高精度铣削技术完成，同时也采用3D打印或注塑成型技术。性能评估增益与方向性：根据阵列的具体尺寸和材料选择，增益范围在12.5dBi至22dBi之间，显示出优异的辐射效率和方向性。同时，副瓣电平保持在7.5dB以下，确保了良好的波束质量和抗干扰能力。小型化与波束导向：通过集成功率分压器的设计，实现了天线阵列的小型化。图1所示为集成功率分流的DRA阵列，1×4阵列。该馈电结构，具体实现为一个亚波长分布式波导（DWG），其边长a为1.8毫米，并且这个馈电结构位于功率分配器（PowerDivider）部分的中心位置。这样的亚波长DWG足够大，可以进行机械处理和稳定，但仍保持单模传播。为了减轻辐射损失，MMI截面不会立即加宽到最大宽度w=12.25mm。图2（a）显示了用交联聚苯乙烯材料研磨制作成的天线。为了测量，介电馈电被连接到一个WR10空心波导到介电波导跃迁。天线和波导过渡一起安装在转盘上进行模式表征（图2b）。参考天线为22dBi标准增益喇叭天线。图3概述了增益、副瓣电平（SLL）和输入反射随频率变化的行为。测量得到的增益在16.5dBi至18dBi之间，而在设计范围内，副瓣电平保持在-10dB以下。为了验证实际中的1/16功率分配以及模拟的相应相位分布，采用交联聚苯乙烯材料整体铣削了1:16功率分配器。由于实验室中只能同时测量两个端口，而其他所有端口都必须良好匹配，因此需要实现可适应的端口访问。这通过使用插针-插孔结构来实现，以便能够将测量探头或辐射元件连接到端口上。当测量一个端口时，会连接一个介电输出，而其他所有端口则用辐射锥面终端连接，以便从被测端口辐射出去。这种测量原理如图4所示。沿介质棒天线（DRA）元件的受控相位差提供了合理的波束控制能力。相控阵可以提供可重新配置的相位关系，以引导波束向不同方向传播，但必须通过使天线元件靠得更近来抑制栅瓣。为了评估小型化和波束控制能力，研究了高介电常数材料。出于设计、制造和验证方面的简单性考虑，这里仅考虑一维天线阵列。然后，将它们与上文介绍的1×4阵列进行比较。该设计简单明了，由于介电常数的增加，单模光纤的尺寸会减小。同样，MMI部分的总体尺寸也会减小，从而允许更紧凑地放置输出端口，进而使天线元件更加紧凑。所考虑的材料是Premix的PrepermL300和L440，它们的后继产品现在分别被称为PrepermPPE300和PPE440，，其相对介电常数分别为εr,L300=3.0和εr,L440=4.4。表1比较了这些材料和天线阵列的重要参数。所有阵列均作为整体从相应材料上铣削而成，如图5所示。与使用交联聚苯乙烯材料相比，使用PrepermL440可使横截面积减少52%。事实上，特别是在L440的情况下，模拟预测的匹配比测量的更差，突出了在测量范围内材料的损失切线的不确定性。此外，这两种高介电常数结构都必须手动调整，以适应WR10的过渡，这增加了公差。综上，介质棒天线已被证明是一种易于控制的天线元件，因为仅需要锥形化单模波导即可形成天线。由于功率分配具有相等的幅度但不一定具有相等的相位，因此为了获得满意的天线方向图和增益，必须进行相位调整。因此，介质棒天线（DRA）显示出不同的锥形长度。本文提出了一种一维和二维介质棒天线阵列，其增益范围在12.5dBi至22dBi之间，具体取决于阵列大小、频率和材料。在设计范围90GHz至105GHz内，旁瓣电平低于-10dB，但由PrepermL440制成的阵列除外。所提出的具有较高介电常数的材料L300和L440在减小尺寸和重量以及减小元件间距的同时，整体性能可与介电常数较低的1×4交联聚苯乙烯阵列相当。在所有提出的设计中，模拟结果与测量结果均显示出良好的一致性，