《電子技術(shù)應(yīng)用》
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加載SIW腔的毫米波高相位一致性天線陣研究
電子技術(shù)應(yīng)用
王娟1，楊雪霞1，顧怡敏2，姚羽2
1.上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院；2.華為技術(shù)有限公司
摘要： 波達(dá)方向估計(jì)中，其測向精度依賴于陣列中陣元間的相位一致性，因此設(shè)計(jì)了一款高相位一致性的毫米波四元直線陣。天線印刷在單層介質(zhì)板上，采用同軸探針對(duì)頂層貼片進(jìn)行差分饋電。首先采用耦合饋電方式，減小同軸饋電端口之間的耦合，從而減小每個(gè)陣元在遠(yuǎn)場的相位波動(dòng)；其次，利用基片集成波導(dǎo)技術(shù)減小陣元間的相互影響，以提高陣列的相位一致性。仿真結(jié)果顯示，陣列的 |Sdd11|<-10 dB 帶寬為 22.9~25.1 GHz，每個(gè)陣元在工作頻帶內(nèi)的最大增益與隔離度分別大于 6.5 dBi和 16.2 dB，陣列在23 GHz、24 GHz處的 E 面、H 面和 ±45° 面上的相位一致性均保持在 ±10° 內(nèi)。對(duì)天線進(jìn)行了加工和測試，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果較為吻合。
中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245028
中文引用格式： 王娟，楊雪霞，顧怡敏，等. 加載SIW腔的毫米波高相位一致性天線陣研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(8)：90-95.
英文引用格式： Wang Juan，Yang Xuexia，Gu Yimin，et al. High phase consistency for millimeter wave antenna array loaded with SIW cavity[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(8)：90-95.
High phase consistency for millimeter wave antenna array loaded with SIW cavity
Wang Juan1，Yang Xuexia1，Gu Yimin2，Yao Yu2
1.School of Mechanics and Engineering Science， Shanghai University； 2.Huawei Technologies Co.， Ltd.
Abstract： In the direction of arrival (DOA) estimation, the direction finding accuracy depends on the phase consistency between the array elements in the array, so a millimeter-wave four-element linear array with high phase consistency is designed. The antenna is printed on a single-layer substrate, and coaxial probes are used to differentially feed the top patch. Firstly, the coupled feeding method is used to reduce the coupling between the coaxial feeding ports, so as to reduce the phase fluctuation of each array element in the far field. Secondly, the substrate integrated waveguide (SIW) technique is used to reduce the interactions between the array elements and to improve the phase consistency of the array. The simulation results show that the |Sdd11|<-10 dB bandwidth of the linear array is 22.9~25.1 GHz, the maximum gain and isolation of each element in this working band are more than 6.5 dBi and 16.2 dB, respectively. The phase consistency of this array at 23 GHz and 24 GHz in the E-plane, H-plane and ±45°-plane are within ±10°. The antenna is processed and tested, and the experimental and simulation results are in good agreement.
Key words : phase consistency；differential antenna；SIW cavity；millimeter-wave antenna

引言

波達(dá)方向(Direction of Arrival, DOA)估計(jì)算法依據(jù)相位比較來估計(jì)目標(biāo)信號(hào)的角度，在雷達(dá)探測、無線通信、海洋遙感及自動(dòng)駕駛等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-5]。直線陣可發(fā)射和接收電磁波是測向系統(tǒng)的重要組成部分[6]，當(dāng)接收天線陣列采用陣元間的相位差測量信號(hào)的方向時(shí)，需盡可能準(zhǔn)確地獲得天線陣列各陣元在不同入射角度的相位值，但由于陣列中存在耦合效應(yīng)[7-8]，以及每個(gè)陣元所處的輻射環(huán)境不同，導(dǎo)致每個(gè)陣元接收到的相位差異大，最終影響測向精度。因此提高陣列陣元間的相位一致性具有重要意義。

文獻(xiàn)[9]通過在陣元間刻蝕曲折縫隙，并在邊緣陣元兩側(cè)加載虛陣元的方法，使四元直線陣在 H 面 ±60° 內(nèi)的相位一致性保持在 ±15° 內(nèi)，但所加載的虛陣元無疑增大了陣列的尺寸。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種加載金屬反射腔的縫隙天線陣列，該陣列在 H 面 ±60° 內(nèi)的相位一致性保持在 ±10° 內(nèi)，但該陣列的剖面高度較高，為 0.25 λ0 (λ0為天線中心頻率所對(duì)應(yīng)波長)。以上文獻(xiàn)均通過提高相鄰陣元間的隔離度，或減小空間輻射波的方式來提高陣列的相位一致性。

差分天線需饋入幅度相等、相位相反的奇模信號(hào)，可抑制高階模的輻射[11-12]，具有低交叉極化[13-15]、高隔離度 [16-17]及表面波抑制[18]性能，使單元在遠(yuǎn)場具有較小的相位波動(dòng)。因此，選擇差分天線作為基本單元，對(duì)四元直線陣的相位一致性進(jìn)行研究。本文提出了一種加載 SIW 腔的高相位一致性毫米波差分陣列，仿真結(jié)果顯示，該陣列的 |Sdd11|<-10 dB 帶寬為 22.9~25.1 GHz，每個(gè)陣元在工作頻帶內(nèi)的最大增益均大于 6.5 dBi，同時(shí)，該陣列在 23 GHz、24 GHz處的 E 面、H 面和 ±45° 面上的相位一致性保持在 ±10° 內(nèi)。


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作者信息：

王娟1，楊雪霞1，顧怡敏2，姚羽2

（1.上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444；

2.華為技術(shù)有限公司，上海 201206）


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