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使用特征模式理论设计宽带宽波束基板集成波导空腔背板微带天线

Ashutosh Kedar，Defense Research & Development Organization, Bangalore, India

利用特征模式理论(TCM)研究了宽波束基板集成波导(SIW)空腔背板微带天线(CBMSA)的性能。TCM提供了对SIW CBMSA中特征模式(CM)传播的洞察力，这有助于制定宽带宽性能的设计指南。这些指南通过设计一个64单元的S波段天线阵列得到了验证。制造的阵列的测量结果与模拟结果非常吻合。它证明了增益大于8dBi，波束宽度大于90度，带宽大于18%，交叉极化小于-20dB，效率大于90%。这与已有文献中报告的结果相比是很好的。

TCM是由Garbacz^1,2首先提出的。Harrington³将其制定为矩阵形式，并将其应用于散射问题。CM是正交的，可作为基础函数来表示任何完美电导体(PEC)表面上的感应表面电流。制定了一个电场积分方程，通过假设无损电介质的格林函数算子将表面电流与切向电场联系起来。^3,4 现在，TCM被应用于许多电磁问题，如天线设计^5-10、天线波束整形⁵、减少RCS¹¹、天线底盘设计¹²和天线与平台的交互作用。^5,13 使用TCM也成功地展示了天线带宽的提高。^6,7,14,15 CM完全取决于物体的形状和大小，与激励无关。馈电决定了模式激励系数(MEC)和CM之间的耦合。^5,6 因此，TCM在设计理想天线时非常有用。

微带天线(MSA)是实现相控阵天线的理想选择，用于5G MIMO、相控阵雷达和到达方向(DoA)系统等各种应用。^7,16-18 U形槽MSA(UMSA)具有利用多个谐振的宽带能力，^14,15,19-21并在槽形MSA家族中表现出最宽的阻抗带宽。²⁰ 在MSA阵列中，由于表面波(SW)的传播，相邻结构之间存在着强烈的相互耦合(MC)。^17,22

CBMSA^22,23在MSA下面有一个金属空腔，它禁止SW传播，隔离附近的天线单元并减少MC。因此，它支持使用更厚的微波层压板来提高带宽。^16,19 它还缩小了整体尺寸：辐射边缘小于λ_g/2，λ_g是导波波长²²。这增加了-3dB波束宽度(HPBW)和附近单元之间的间距，假设单元间距为λ/2。这反过来又减少了MC，避免了栅格波瓣(GL)的出现¹⁸。因此，它有助于实现宽带和宽扫描相控阵天线。^17,23 然而，CBMSA是一个复杂的组件，需要对腔体进行精确的加工，使其难以与多层电路组件集成。在较大的相控阵天线中，这个问题就更严重了。

Wu²⁴介绍了SIW技术，它以印刷的形式模拟波导行为。SIW CBMSA或槽形天线(SIW-CSA)已经有了展示。^25-35 SIW模拟了一个具有电镀通孔(PTH)阵列的金属空腔。因此，它消除了对笨重的金属腔的需要，并表现出最小的辐射泄漏。为5G应用提出了一个宽带SIW CBMSA。^25,43 Wen等人²⁶展示了一种C波段SIW-CSA，其HPBW大于120度，FBW约为17.7%。Vilenskiy等人²⁷展示了一种具有蘑菇状EBG结构的C波段CBMSA。其FBW约为12%，扫描量为80度。Cai等人²⁸展示了一个多层SIW-CBSA，工作频率为18至30GHz。也有人提出了一个宽扫描、探针馈电、X波段的SIW CBMPA。^28,33 Chou等人²⁹描述了一个用于DoA估计的SIW-CBSA PAA。目前的文献包含了对SIW天线的全面回顾。^30-35

设计和优化SIW-CBMSA，包括探针位置，是一项耗时的工作，使用的技术包括有限元法、有限差分时域和矩量法¹⁶。然而，TCM不需要探针⁷，通过提供在结构上传播的各种CM的信息，优化天线性能的计算速度更快。本文介绍了一种使用TCM进行宽带和宽波束SIW CBMSA设计的策略。CBMSA由一个U形槽和一个环形圈组成，环形圈上有一个PTH阵列，环形圈具有低介电常数(ε_r)和介电损耗(tanδ=td)的厚微波层压板。环形圈和UMSA具有接近的谐振，带来宽带宽。^36,37 PTH阵列创造了一个SIW腔，缓解了SW，减少了MC，产生了一个宽的扫描量。在有源阵列环境下评估了该天线的性能。模拟结果与测量结果和先前的文献进行了比较。^{25,27,33,42,43}

天线的设计

基于TCM的SIW CBMSA设计策略包括以下步骤(图1)：

·        探针馈电的MSA

·        U形槽和与MSA的集成

·        SIW CBMSA。

图1 天线结构。

设计过程使用Altair FEKO软件中的分析表达式¹⁶和TCM模块³⁸。基板是Rogers 5880 (ε_r=2.2、td=10^-3)，h约为250mils。

设计目标是为宽扫描相控阵应用提供一个具有宽带宽和宽波束的天线单元，满足以下规格：

原文始发于微信公众号（actMWJC）：使用特征模式理论设计宽带宽波束基板集成波导空腔背板微带天线（原载于《微波杂志》22年5/6月号）