低相對介電常數的圓極化徑向縫隙天線(xiàn)的研究

　　徑向縫隙天線(xiàn)是高增益、高效率的平面縫隙陣列天線(xiàn)。天線(xiàn)縫隙陣列按一定的規律排布在徑向波導的上表面，徑向波導內部填充由慢波材料來(lái)抑制天線(xiàn)的柵瓣，其中慢波材料的相對介電常數一般的選擇范圍是1.5~2.5。本文設計的徑向縫隙天線(xiàn)中填充徑向波導的慢波材料的相對電常數為1.06。依據徑向縫隙天線(xiàn)的設計原則，適當調整縫隙的排布，所設計天線(xiàn)并未出現柵瓣，并且有較好的方向性。天線(xiàn)的仿真結果與測量結果吻合的較好。

　　引言

　　相對于其他直播星天線(xiàn)，徑向縫隙天線(xiàn)由于其高增益、高效率、體積小、壽命長(cháng)、堅固耐用等優(yōu)點(diǎn)受到許多國家的科研工作者的廣泛關(guān)注，并且國外已經(jīng)廣泛應用，方便著(zhù)人們的日常生活。

　　“徑向波導縫隙天線(xiàn)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)首先是由N. Goto和 M. Yamamoto 在1980 年提出來(lái)的;而最先研究這款天線(xiàn)的可能是F. J. Goebels 和 K. C. Kelly，他們于1961年提出通過(guò)調整饋電電路設計一個(gè)能夠接收圓極化、線(xiàn)極化或橢圓極化信號的固定形狀的筆形波束的天線(xiàn)。Takahashi. M. 等人于1995 提出了采用波束傾斜的辦法來(lái)消除反射，Paul W. Davis 和Marek E. Bialkowski 于1997年采用增加反射縫隙的方法來(lái)消除反射。進(jìn)入21 世紀，仍然有大量的科研工作出現：2007 年日本東京工業(yè)大學(xué)的Masahide Undo 等人對兩個(gè)不同介電常數的材料疊加一起形成慢波結構進(jìn)行了研究;2012 年，東京工業(yè)大學(xué)的Tung Nguyen 等人設計了橢圓波束的徑向縫隙天線(xiàn)。徑向縫隙天線(xiàn)的研究大都基于相對介電常數較大的介質(zhì)材料上，因為如果相對介電常數的范圍在1.5~2.5 之間，那么所設計的徑向縫隙天線(xiàn)將不會(huì )出現柵瓣。

　　本文的研究是相對介電常數為1.06 的發(fā)泡材料填充的徑向線(xiàn)波導上開(kāi)縫所形成的徑向縫隙天線(xiàn)。依據徑向縫隙天線(xiàn)基本的設計原理，通過(guò)合理調整縫隙的長(cháng)度和角度來(lái)抑制天線(xiàn)柵瓣的出現;通過(guò)對所加工的天線(xiàn)進(jìn)行多次測量，求均值盡可能消除誤差后，所得到的天線(xiàn)方向圖與仿真所得到的方向圖吻合較好。

天線(xiàn)結構

　　徑向縫隙天線(xiàn)由三個(gè)部分組成，饋電網(wǎng)絡(luò )、徑向波導和縫隙陣列，其整體結構圖形見(jiàn)圖1。圖中采用SMA接頭對徑向波導進(jìn)行饋電，然后能量從中間向徑向波導四周流動(dòng)，流動(dòng)的過(guò)程中一部分能量通過(guò)縫隙向外輻射，其余的能量繼續向四周流動(dòng)。

　　徑向波導部分有兩種設計結構，雙層徑向波導結構和單層徑向波導結構。在早期的研究當中都采用的是雙層徑向波導結構，這樣的結構方便陣列天線(xiàn)縫隙的設計，因為上層徑向波導中能量是由邊緣向中心流動(dòng)，隨著(zhù)縫隙的輻射到中心的能量逐漸減少，這樣可以把縫隙的長(cháng)度設計成一致。

圖1 徑向縫隙天線(xiàn)的結構

　　但是雙層波導結構所設計的天線(xiàn)當能量傳輸到中心位置后剩余能量的處理較麻煩、效率和增益都比較低，而且由于不易于加工帶來(lái)了加工費用的增加，不利于商業(yè)應用。20 世紀90 年代后開(kāi)始采用單層波導結構。

　　采用單層波導結構的設計方式克服了上述缺點(diǎn)，但同時(shí)也給天線(xiàn)縫隙的設計帶來(lái)了很大的挑戰，主要表現在縫隙長(cháng)度設計不一致、最里圈和最外圈縫隙的設計等。本文采用的是單層徑向波導設計結構，采用SMA 接頭進(jìn)行饋電，徑向波導上下兩層均采用導電性好的良導體。

結論

　　依據徑向縫隙天線(xiàn)的設計理論設計了圓極化徑向縫隙天線(xiàn)，調整縫隙的長(cháng)度和角度可以改善天線(xiàn)的性能。通過(guò)對于所加工的兩個(gè)徑向縫隙天線(xiàn)的測量，與相應的仿真結果進(jìn)行比對，發(fā)現仿真結果的方向圖和實(shí)際測量所得到的方向圖吻合較好，印證了天線(xiàn)設計的有效性和可行性。

　　在實(shí)際設計的天線(xiàn)中，測量所得到的中心頻率偏移相較于仿真結果較大，這是在后續工作中需要改進(jìn)的。