文章编号100520388(2010)0120161206Ka频段介质棒天线优化设计王楠楠邱景辉李高飞邓维波(哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要作为毫米波成像系统焦平面阵列馈源的天线中,介质棒天线相对于传统波导、喇叭天线和渐变缝隙天线具有一些重要的优势。通过对介质棒天线的理论分析、仿真和实测,提出了一种新型结构的介质棒天线,研究了影响其特性的各种结构参数,对其进行了优化设计。该天线可通过增加长度而非横截面来提高天线增益,在较宽频带内具有较低的回波损耗,平稳的增益,较低的副瓣电平、互耦和交叉极化电平,易于排成紧密的馈源阵列,以更低的溢出损耗实现对透镜或反射面天线的有效照射。关键词毫米波成像系统;焦平面阵列;介质棒天线中图分类号文献标志码TN82A作为毫米波成像系统焦面阵馈源的介质棒天线的新结构,并对其优化设计。2.1天线辐射原理11引言近年来,恐怖活动日益猖獗,世界各国对安全问题非常关注,能探测人体隐匿物品的毫米波成像系统也得到了广泛的关注,并在机场安检等领域得以应用。根据实际应用,要求成像系统具有足够的祯频,但单通道机械扫描毫米波成像系统欲获得一幅空间分辨率高且尺寸较大的图像需要相当长的时间。因此,焦平面阵列毫米波成像系统应运而生。一方面,为了提供足够的空间分辨率,要求透镜或者反射面天线焦平面上的馈源分布较为紧密,故必须使用较小截面的馈源。另一方面,馈源天线必须以尽可能低的溢出损耗为透镜提供有效的照射,这需要天线具有较高的增益,通常会使天线具有很大的横截面。这个矛盾是设计焦平面阵列亟待解决的问题[122]。很多文献提出过各种喇叭天线、印刷偶极子或者渐变缝隙天线[3],但这些馈源有的不能够对透镜及反射器提供良好的照射;有的不能紧密排列;有的交叉极化隔离度较差。介质棒天线是一种有效的馈电元件,在设计合理时,这种表面波端射天线可通过控制天线的长度,而不是横截面来实现高增益[427]。21天线理论分析通常介质棒天线可分为三个部分,即馈电渐变、棒体渐变和终端渐变[8]。在实际应用中,介质棒天线的锥削十分平缓。此时,来自均匀介质波导或金属波导激励的表面波将无反射地在天线中传输同时将集中在介质区域中的束缚波能量转换成在空气区域中传播的自由空间波能量。这种波的相速v将随着波从天线根部到顶点的传输而逐渐增加,一直达到自由空间光速c。2.2天线结构在毫米波波段,常见的介质棒天线一般采用矩形截面,并在矩形截面的一个方向上或者两个方向同时锥削。文章提出了介质棒天线的一种新型结构,如图1所示。l1和l2段为“馈电渐变”,s1和s2为“棒相交构成,可以实现由矩形截面至圆形截面的转换。图1介质棒天线结构示意图收稿日期:2009206201基金项目:黑龙江省专项基金(FW05W109联系人:王楠楠E2mail:wnn610@163.com馈电渐变段插入馈源波导之中,并且馈源波导的内壁与介质棒天线紧密贴合,馈源波导外形见图2。益下降。式(1)和式(2)可作为线性锥削介质棒天线的设计公式。但是适当地增加根部的截面(超过Amax)可以增加天线的带宽,并可作为一种降低副瓣电平的方法。因此,新型结构介质棒天线棒体采用两段分别做线性锥削,且根部圆形截面直径较大,等于波导长边长度。这样可以很好地降低副瓣电平,减小阵列中介质棒天线相互间的耦合。同时,适当地选择s1和s2段的比例,可以将集中在介质区域中的束缚波能量更有效地转换成在空图2馈源波导外形图气区域中传播的自由空间波能量。2.2.4终端渐变2.2.1介质棒材料选择相对介电常数εr是影响介质棒天线性能的重要参数。介质棒天线工作于基模HE11时,可得到低副瓣和高增益的传输方向图。当天线根部直径d1满足d1/λ0<0.626εr(λ0为自由空间波长)时,可保证激励起HE11模式。εr越大,其基模色散曲线越陡,天线工作带宽越小。因此,通常介质棒天线的εr不宜过大,新型结构介质棒天线选用聚四氟乙烯作为材料。2.2.2馈电渐变段设计“馈电渐变”提高激励功率,也影响馈电器方向图形状。新型结构介质棒天线l1段采用燕尾形设计以减小天线对波的反射,通常锥削部分的长度应为1.5～2.5λ0,新型结构介质棒天线l1段长度为2λ0。当介质棒天线用金属波导馈电时,馈电口径的辐射对方向图形状和副瓣电平有很大影响...