【实验案例】带集成功率分配器的全介质棒天线阵列

带集成功率分配器的全介质棒天线阵列是一种特殊的天线系统，它结合了全介质棒天线的高辐射效率和良好定向性，以及集成功率分配器的灵活分配功能，能够实现更高效、更灵活的天线性能。

通过集成功率分配器对各个介质棒天线单元的馈电进行精确控制，可以实现波束的精确赋形和扫描，满足复杂通信和雷达系统的需求。

实验目的

基于多模干扰原理的功率分压器设计，旨在通过单一步骤实现既包含一维又包含二维功率分配的功能，从而显著减小天线阵列的尺寸与重量。为了验证这一创新概念，我们设计、制造并表征了两种集成功率分配器支持的全介质天线阵列：1×4和4×4配置，这些阵列采用交联聚苯乙烯材料精细研磨制成，工作频率覆盖90 GHz至105 GHz的频段。

设计与实现

• 阵列设计：集成式的功率分压器结构，该结构直接嵌入天线阵列中，减少了传统设计中所需的额外组件和连接，从而实现了结构的小型化和轻量化。
• 材料选择：选择交联聚苯乙烯材料作为主要材料，因其具有良好的介电性能和加工性。同时还对比了Preperm L300和Preperm L440两种材料在1×4阵列中的应用。
• 制造工艺：所有演示样品均通过高精度铣削技术完成，同时也采用3D打印或注塑成型技术。
  

性能评估

• 增益与方向性：根据阵列的具体尺寸和材料选择，增益范围在12.5 dBi至22 dBi之间，显示出优异的辐射效率和方向性。同时，副瓣电平保持在7.5 dB以下，确保了良好的波束质量和抗干扰能力。
• 小型化与波束导向：通过集成功率分压器的设计，实现了天线阵列的小型化。
  

图1所示为集成功率分流的DRA阵列，1×4阵列。该馈电结构，具体实现为一个亚波长分布式波导（ DWG），其边长a为1.8毫米，并且这个馈电结构位于功率分配器（Power Divider）部分的中心位置。这样的亚波长DWG足够大，可以进行机械处理和稳定，但仍保持单模传播。为了减轻辐射损失，MMI截面不会立即加宽到最大宽度w = 12.25 mm。

图2（a）显示了用交联聚苯乙烯材料研磨制作成的天线。为了测量，介电馈电被连接到一个WR10空心波导到介电波导跃迁。天线和波导过渡一起安装在转盘上进行模式表征（图2b）。参考天线为22 dBi标准增益喇叭天线。

图3概述了增益、副瓣电平（SLL）和输入反射随频率变化的行为。测量得到的增益在16.5 dBi至18 dBi之间，而在设计范围内，副瓣电平保持在-10dB以下。

为了验证实际中的1/16功率分配以及模拟的相应相位分布，采用交联聚苯乙烯材料整体铣削了1:16功率分配器。由于实验室中只能同时测量两个端口，而其他所有端口都必须良好匹配，因此需要实现可适应的端口访问。这通过使用插针-插孔结构来实现，以便能够将测量探头或辐射元件连接到端口上。当测量一个端口时，会连接一个介电输出，而其他所有端口则用辐射锥面终端连接，以便从被测端口辐射出去。这种测量原理如图4所示。

沿介质棒天线（DRA）元件的受控相位差提供了合理的波束控制能力。相控阵可以提供可重新配置的相位关系，以引导波束向不同方向传播，但必须通过使天线元件靠得更近来抑制栅瓣。为了评估小型化和波束控制能力，研究了高介电常数材料。出于设计、制造和验证方面的简单性考虑，这里仅考虑一维天线阵列。然后，将它们与上文介绍的 1×4 阵列进行比较。

该设计简单明了，由于介电常数的增加，单模光纤的尺寸会减小。同样，MMI部分的总体尺寸也会减小，从而允许更紧凑地放置输出端口，进而使天线元件更加紧凑。所考虑的材料是Premix的Preperm L300和L440，它们的后继产品现在分别被称为Preperm PPE300和PPE440，，其相对介电常数分别为εr,L300 = 3.0和εr,L440 = 4.4。表1比较了这些材料和天线阵列的重要参数。所有阵列均作为整体从相应材料上铣削而成，如图5所示。与使用交联聚苯乙烯材料相比，使用Preperm L440可使横截面积减少52%。

事实上，特别是在L440的情况下，模拟预测的匹配比测量的更差，突出了在测量范围内材料的损失切线的不确定性。此外，这两种高介电常数结构都必须手动调整，以适应WR10的过渡，这增加了公差。

综上，介质棒天线已被证明是一种易于控制的天线元件，因为仅需要锥形化单模波导即可形成天线。由于功率分配具有相等的幅度但不一定具有相等的相位，因此为了获得满意的天线方向图和增益，必须进行相位调整。因此，介质棒天线（DRA）显示出不同的锥形长度。本文提出了一种一维和二维介质棒天线阵列，其增益范围在12.5 dBi至22 dBi之间，具体取决于阵列大小、频率和材料。在设计范围90 GHz至105 GHz内，旁瓣电平低于-10 dB，但由Preperm L440制成的阵列除外。所提出的具有较高介电常数的材料L300和L440在减小尺寸和重量以及减小元件间距的同时，整体性能可与介电常数较低的1×4交联聚苯乙烯阵列相当。在所有提出的设计中，模拟结果与测量结果均显示出良好的一致性，表明设计方案的可靠性。