用于无源毫米波焦平面阵列成像的平面高增益对极线性锥形缝隙天线
Planar High-Gain Antipodal Linearly Tapered Slot
王文、王学田、王伟艾丽·法特赫费洛韦
北京理工大学信息与电子学院
北京100081，中国电话: 1 - 865 - 441 - 8920，
电子邮件: wangwenbit@gmail.com，wangwei_hhuc@126.com，wangxuetian@bit.edu.cn
美国田纳西州诺克斯维尔大学电气工程和计算机科学系
电话: 1 - 865 - 974 - 5463，电子邮件: fathy@eecs.utk.edu
摘要
在这项工作中，提出并演示了一种利用微带-基片集成波导( SIW )过渡的新型对极线性锥形缝隙天线( ALTSA )。该天线被很好地设计用于8毫米焦平面阵列( FPA )成像系统中的馈电天线。SIW馈电系统用于微波和毫米波应用，包括低成本制造。PCB技术被用来制造单层结构的SIW天线。对制作的天线进行了测量，仿真结果与测量结果吻合良好。拟议天线的S11在Ka波段低于-12dB，同时E面旁瓣几乎降低了14dB。馈电天线被放置在反射天线的焦平面上，其旁瓣电平下降到40dB，这表明它非常适合无源毫米波焦平面阵列成像系统。
关键词：被动毫米波；焦平面阵列；对极线性锥形缝隙天线；基片集成波导
简介
毫米波(定义为30到300 GHz之间，对应的波长在10到1 mm之间)应用的巨大优势，不仅体现在白天和夜晚的能见度，而且在雾和其他低能见度的恶劣条件下也表现良好。如果使用视觉或红外传感器，这些条件通常是低效的。毫米波成像在白天或夜晚的清晰或低能见度条件下同样有效，因为它比视觉或红外辐射衰减小了数百万倍，而且，它受太阳或人工照明的影响最小[ 1 ]。这种能力也是被动毫米波成像的一个关键优势。
被动毫米波( PMMW )成像方法基于被动检测来自目标场景的自然产生的毫米波辐射。当接收到热辐射或检测到物体的表面亮度(或辐射度)、温度与其背景形成对比时，PMMW成像能够在白天或夜晚，在晴朗的天气或能见度低的条件下——如霾、雾、云、烟或沙尘暴， 甚至穿过服装产生场景图像[ 2 ]。这种能力使得PMMW成像在许多民用和军用应用中非常重要，例如大气研究、导航和监视、全天候着陆引导、漏油检测、无损安全检查，以及避免汽车碰撞。
一种非常流行的PMMW成像方法，特别是在宽带上，是焦平面阵列( FPA )成像，其中接收单元沿着反射器天线焦平面上的一条线放置，导致多波束覆盖视线。由于馈送单元及其相关接收器的相对较高的性能和较低的成本，FPA成像系统已经成为PMMW成像的主要方法。接收器的封装密度、噪声系数和数据处理速度性能是决定毫米波焦平面阵列( MFPA )成像系统空间采样率的主要因素[ 3 ]。
在我们的8毫米PMMW-FPA成像系统中，接收器单元排列成一条直线，垂直安装，整个组件可以从左向右水平缓慢平移。因此，场景上多个重叠波束图案的覆盖区将在整个场景上移动以形成图像。通常，馈电天线安装有两种接收器，辐射计或被配置为辐射计的内置接收器。许多理论和实践表明，随着反射器孔径的增大或我们在更高频率下工作，图像会变得更加清晰，但是我们需要构建一个足够高的频率系统，且系统要足够小，达到可以简单紧凑应用的需求。因此，可以对接收器和反射器和馈电天线的性能进行不多的改变，例如更宽的频带、更低的旁瓣电平、更高的增益、更窄的波束宽度和更紧凑的尺寸，这些对于获得更好的场景图像非常重要。
本文提出了一种新型的具有微带-基片集成波导的对极线性锥形缝隙天线，并对其性能进行了全面分析，对仿真进行了实验验证。该天线被证明可以完美地用作8毫米PMMW-FPA成像系统的馈电天线。所提出的过渡和对极线性锥形缝隙天线“ALTSA”集成在单层基板上，并使用标准PCB工艺制造。仿真结果与测量结果吻合良好。本文详细介绍了所提出的天线和所构建原型的实验结果。
平面对极直线锥形缝隙天线
印刷锥形缝隙天线( TSA )因其宽带宽、端射特性、低交叉极化和易于制造而被证明能在毫米波频率表现出优异的性能[ 4 ]。ALTSA的选择导致极高的宽带性能，同时有助于更窄的波束宽度、更高的增益、更好的回波损耗和更好的交叉极化性能[ 5 ]。
ALTSA的特点是高增益、低旁瓣、低成本、易于制造、重量轻、尺寸紧凑，尤其是E面上的窄波束宽度和相对较宽的带宽。ALTSA总体上具有比传统馈电元件(即喇叭天线)更好的性能。开发的ALTSA设计(图1 )可以与印刷电路板上的接收器集成，是适合PMMW成像系统反射器的馈电天线，覆盖Ka波段( 32-40GHz )。
图1 HFSS中ALTSA (正面和地面)的模型
图2 HFSS中ALTSA的改进设计结构(A)ALTSA（B）有方形补片的圆柱形孔洞，(C)有周期缝的圆柱形孔洞)
所提出的天线结构(图1 )使用RT \ Duroid6002衬底设计，该衬底具有2.98相对介电常数、0.0012的介电损耗角正切和20毫米厚，该厚度相对较厚以降低SIW导体的损耗。基板的双面金属化在板的不同侧面上以相反方向张开，具有重叠宽度( w1 )，以形成锥形槽，从而减少失配损失(如图2(a ) )。计算和优化参数w1、w和l1以实现宽带性能。图2(b ) 在天线结构中增加了一侧带有方形贴片的圆柱形通孔，目的是提高增益（尤其体现在高频端），并降低旁瓣电平（尤其体现在E面）。这些通孔之间的距离( p1 )和方形贴片( pd )的尺寸被优化以增强天线性能。额外的周期性狭缝( sll*slw )被放置在天线结构的顶部，以有效地增加增益，并减小波束宽度和旁瓣电平(如图2(c ) )。微带到基片集成波导的过渡也被优化以提高输入回波损耗，这将在后面讨论。
表1所有优化的天线尺寸
|
Symbol |
Value |
Symbol |
Value |
|
l1 |
27.1 |
wtaper |
3.1 |
|
w |
15 |
ltaper |
3.2 |
|
w1 |
0.7 |
lms |
4.15 |
|
l2 |
3.8 |
wms |
1.36 |
|
w2 |
4 |
sll |
1 |
|
d |
0.6 |
slw |
0.5 |
|
p |
1 |
pd |
2.2 |
|
p1 |
1.4 |
t |
0.508 |
图3 装配式天线照片(正面和背面带连接器)
微带到集成电路的过渡设计
微带线到开槽线的直接过渡是一种常见的馈电方式，但它通常带宽有限，在毫米波频段会有严重的损耗。因此，对于高频，选择合适的馈电会显著影响ALTSA的性能。出于测量和建模的目的，微带线通过基底集成波导( SIW )而不是直接连接到微带线的ALTSA来馈送ALTSA，因为SIW可以更好地匹配天线，而其毫米波频率下的损耗低于微带线[ 6 ]。
此外，我们利用SIW，因为它们成本低、易于制造、紧凑、重量轻、辐射效率高、损耗低。在SIW中，波导侧壁是使用放置在顶部和底部波导壁的双面衬底中的金属过孔行来模拟的。传统ALTSA中带宽受限的平衡-不平衡变换器可以通过使用SIW馈电来有效去除[ 7 ]。SIW技术使得使用衬底实现波导成为可能，并提供了一种精巧先进的方式，使用传统的低成本PCB处理技术将波导与微波和毫米波平面电路集成在一起[ 8 ]。SIW馈电系统是微波和毫米波应用的理想选择。
SIW理论上可以由矩形波导代替，并且具有类似于波导的模式和截止频率特性。对于p lt; 0.2 *中心波长的通孔p (如图4所示)之间的紧密距离；当通孔d和p的直径之比接近0.5 时，SIW将具有小的损耗[ 9 ]。参数w2、d和p使用[ 10 ]中给出的公式计算，然后进行优化，以确保SIW可以完全被填充电介质的矩形波导所取代，并且在整个工作频带内与ALTSA有很好的匹配。SIW组件通常由共面波导[ 11 ]或微带至SIW过渡馈电[ 12 ]，这里我们使用后者。
图4 HFSS (二维和三维)中微带到SIW的过渡
微带线和SIW完全集成在同一基底上，它们通过简单的线性锥形微带互连(图4 )。由于基本波导和微带线之间的模式相似，锥形用于匹配SIW的低特性阻抗50Omega;，并激励波导模式。输出微带线的电阻为50Omega;，宽度为w ms [13]。微带到SIW锥形过渡的宽度和长度分别是w taper和l taper，它们被调整以在宽带上获得良好的阻抗匹配。过渡段的所有参数都在所需频带上进行了优化，如表1所示。
焦平面阵列
在完成单个天线的设计后，我们将这些天线定位在抛物面反射器天线的焦平面上。在我们的PMMW成像系统中，焦平面阵列( FPA )和抛物面反射器的这种组合被证明适合获得多波束覆盖视野。在我们的PMMW-FPA成像系统中，每个天线单独馈电并独立连接到接收器，以获得更好的空间采样率和成像，同时接收器单元的整个阵列沿着其E面线性安装，如前所述。
为了评估整体性能，我们在35GHz下对系统进行了仿真。当然，当反射器的孔径增大时，场景图像会变得更加清晰，但是我们需要构建一个足够小的系统，以便可以简单紧凑地应用。
在我们的仿真中，我们为一个紧凑的系统选择了8个天线，并选择了一个焦距为500 mm的抛物面天线，同时它的孔径也是500 mm，这是为便携式远程成像系统设计的。图5是抛物面天线的模型，该抛物面天线具有沿着反射器焦平面放置的线性8times;1阵列。
仿真了由多达8times;1天线阵列元件的单个天线馈电的抛物面天线的辐射方向图。计算了偏移角度和每个单个天线的距离，并针对最小反射进行优化。
图5 FEKO中线性8times;1阵列抛物面反射天线的建模( 3D和2D )
仿真和测量结果
使用安捷伦的频谱和矢量网络分析仪，在一个3米长的微波暗室中测量了天线原型。测量结果和仿真结果在整个工作频带内非常一致。
图6示出了ALTSA的输入回波损耗S11 ( 32 - 38GHz )的仿真和测量结果。拟议天线的S11在32GHz至38GHz的宽频带内低于-12dB，特别是在35GHz下低于-17dB。
图6 ALTSA的S11 ( 32 - 38GHz )结果(红色:仿真，蓝色:测量)
仿真和测量了ALTSA在33、35和37GHz的辐射模式。图7(a，b，c )分别显示了ALTSA在33，35，37GHz的E面/H面归一化辐射图的仿真和测量结果。
实现E平面的低旁瓣电平，以最小化无用噪声的接收，是十分必要的；旁瓣的不对称可能是由连接器和天线之间的耦合造成的。在测量过程中，吸收材料被用来覆盖连接的同轴电缆，这可能是测量到的背面辐射低于仿真辐射的原因。
所提出的天线在期望宽带内具有相对稳定的增益。主波束的测量增益约为14.5dB。同时，E面旁瓣几乎降低了14dB，这表明ALTSA在MFPA成像系统中具有能够表现出高性能的潜力。测量结果与仿真结果非常接近。
（a） 33GHz的E面和H面
（b） 35GHz的E面和H面
（c） 37GHz的E面和H面
图7 ALTSA的标准化辐射图结果(红色:仿真，蓝色:测量)
图8示出了抛物面天线在35GHz下的E面归一化辐射方向图，该辐射方向图由8times;1天线阵列的一个天线馈电。馈入抛物面天线的单个ALTSA元件在35GHz的归一化辐射方向图在E平面中具有低近40 dB的旁瓣，具有1.3o HPBW (图8(a ) )，并且当馈入天线与反射器结合时，ALTSA辐射方向图中的主瓣的“肩部”已经消失，这是预期非常希望达到的结果。
对于2x1阵列，E平面中的旁瓣电平下降了近37 dB，HPBW为 3o (图8(b ) )，而对于4x1阵列，旁瓣电平下降了近40 dB，HPBW为7o (图8(c ) )。最
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