摘要
针对W波段天线加工难度大，尺寸容错率低等局限性，提出了一种基于连续横向枝节（continuous transverse stub，CTS）的单脉冲阵列天线。该天线采用全金属结构，包含12个CTS单元，并采用缝隙耦合的串馈方式的和差器作为馈电网络。仿真与实测数据表明：该天线在8%的相对带宽内，驻波比小于2；最大增益达26.9 dBi，呈现出优异的窄波束特性；H面方向图副瓣电平低于-25 dB, E面方向图副瓣电平低于-13 dB，且天线零深低于-22 dB。仿真和测试结果具有良好的一致性。该天线还具有低损耗、易加工、尺寸容错率高等优势，可应用于卫星导航及雷达探测领域。
关键词
Abstract
To address the challenges of high fabrication difficulty and limited dimensional tolerance in W-band antenna，a monopulse array antenna based on continuous transverse stub (CTS) was proposed. The antenna featured an all-metal structure comprising 12 CTS elements, with a slot-coupled series-fed network serving as the sum-and-difference beamforming feed. Simulation and measurement results demonstrate that the antenna achieves a voltage standing wave ratio （VSWR） of less than 2 over an 8% fractional bandwidth, with a peak gain of 26.9 dBi, exhibiting excellent narrow-beam characteristics. The H-plane sidelobe level （SLL）is below -25 dB, while the E-plane SLL is below -13 dB, and the null depth is better than -22 dB. The antenna features low loss, ease of fabrication, and high dimensional tolerance, making it suitable for satellite navigation and radar detection applications.
0 引言
单脉冲天线被广泛应用于雷达系统中[1]。当雷达工作在Ka波段以下时，单脉冲天线往往采用波导缝隙阵列天线。但随着工作频率的升高，波导缝隙阵列天线的加工制造难度增加，其应用范围受限。
连续横向枝节（continuous transverse stub，CTS）天线最早由MILROY[2-4]于20世纪90年代初提出。CTS天线因具有Ku、Ka等高频及跨波段工作能力，且结构紧凑、成本低、重量轻，在雷达等多个领域得到了广泛应用。
全金属的CTS天线具有高辐射效率、高功率容量等优势[5]。常见的CTS天线包括平行板波导、同轴波导以及共面波导等多种结构。传统平行板结构的CTS天线往往采用并馈网络激励[6]，该类天线馈电网络过于复杂，且纵向尺寸大。但如果采用串馈的方式，则难以实现天线的低副瓣设计。采用同轴波导结构的CTS天线[7]仅具备全向辐射能力，无法满足高增益定向辐射以及单脉冲天线的应用要求。共面及基片集成波导类CTS天线可以实现低剖面的串馈方式[8-9]，但其高损耗、高成本的问题限制了其应用场景。尤其是在W波段[10]，这类CTS天线存在加工难度大、装配精度要求高的缺点。
本文提出一种全金属平行板波导结构的单脉冲CTS天线设计方法。该天线采用全金属波导结构以避免介质损耗，采用缝隙耦合的串馈方式简化馈电网络，并实现天线的低副瓣和低剖面特性，最后通过仿真和测试验证该天线性能。
1 CTS天线设计
本文所提的CTS天线采用全金属平行板波导结构，其末端封闭形成短路驻波谐振结构。
1.1 CTS天线工作原理
CTS天线通过在平行板波导上开辐射槽，形成横向辐射枝节实现电磁波辐射。这些周期性排列的辐射枝节可形成准横电磁波（quasi-transverse electromagnetic wave，Quasi-TEM wave）馈电模式，从而实现高效的馈电和辐射。
CTS天线单元结构模型如图1所示，其中h为辐射枝节的高度，d为枝节间隙宽度，w为平行板波导的高度。电磁波沿平行板波导传输，辐射枝节在结构上切断了平行板波导，从而切割了波导内壁表面电流，造成其场分布的改变。
图1CTS天线单元结构模型
根据传输线理论，辐射枝节可等效为串联阻抗。可将CTS天线单元分成两部分进行分析：先分析辐射枝节部分，再将辐射枝节的等效电路代入CTS天线单元等效电路进行整体分析。CTS天线单元的等效电路模型如图2所示。
图2CTS天线单元的等效电路模型
以枝节辐射端口为原点，设Z1为辐射枝节传输线特性阻抗，Zs为辐射口面处的阻抗，则辐射口面处的反射系数
(1)
根据CTS天线单元的等效电路模型，设β为传输线相位常数，当辐射枝节高度为h时，辐射枝节的等效电长度为βh。根据传输线理论，可得辐射枝节的输入端阻抗
(2)
设Z0 为平行板波导等效传输线的特性阻抗，将式（2）等号两边同时除以Z0，可得
(3)
根据平行板波导阻抗关系，平行板波导的特性阻抗与平行板波导的高度相关，Z0，Z1满足关系式
(4)
为了简化计算，令
(5)
将式（4）、式（5）代入式（3），可得
(6)
根据单元负载阻抗，可以推出平行板波导的输入反射系数
(7)
式中：S11为平行板波导的输入回波损耗。
不考虑损耗，定义每个单元的有效辐射的能量，即定义枝节与平行板波导间的耦合系数K，K的表达式为
(8)
式中：|·|为取模运算符。
由公式推导可知，辐射枝节高度h和枝节间隙宽度d的变化会影响辐射枝节的等效电长度βh和相应的辐射枝节传输线特性阻抗Z1。此外，枝节间隙宽度d和平行板波导高度w比值的变化也会导致α的改变。因此，可以通过调整该比值来改变辐射枝节的有效辐射能量。
1.2 CTS天线阵面设计
根据CTS天线工作原理，设计的CTS天线阵列模型如图3所示，其中λ0为中心波长。天线阵面由平行板波导和辐射枝节阵列组成。
图3CTS天线阵列模型
通过仿真优化，最终确定平行板波导的高度w=0.32λ0、辐射枝节的高度h=0.66λ0，此时天线输入阻抗匹配良好。CTS天线阵列的一端为馈电输入，另一端为封闭短路，形成驻波传输模型；辐射枝节阵列包含6组辐射单元，每组由2个构成，共12个辐射单元；相邻两组辐射单元的间距为λ0，保证电磁波能够同相叠加；每组辐射单元采用一分二结构，两个分支的间距为0.50λ0，抑制栅瓣的产生；通过调节台阶式匹配过渡段的尺寸，使枝节间隙宽度d=0.25λ0，实现良好的辐射特性。
图4为CTS天线阵列的归一化方向图。天线的E面和H面未做加权，副瓣电平（sidelobe level，SLL）低于-13 dB。
图4CTS天线阵列归一化方向图
1.3 和差器设计
和差器作为单脉冲天线的关键部件，主要用于生成和差方向图。魔T作为一种四端口网络，具有功率分配及差分处理等功能。本文采用了基于四矩形波导的魔T结构和差器，其结构如图5所示。将天线阵面划分为4个象限，分别与和差器的4个输入端口（P4、P5、P6、P7）相对应。P1为和差器的和端口，P2、P3为和差器的两个差端口，其他馈电端口则连接了吸收负载。
图5基于四矩形波导的魔T结构和差器结构
采用ANSYS电磁仿真软件对和差器的S参数进行全波仿真，其中P1端口的S参数仿真结果如图6所示。仿真结果表明，在5%的相对带宽内，和差器P1、P2、P3输出端口的驻波比（voltage standing wave ratio，VSWR）小于2，各象限输入端口至P1端口的正向传输系数优于-6.5 dB，且P1端口至其他端口的传输相位偏差不超过5°。可以看出，本文设计的和差器实现了较好的端口匹配特性与功率分配性能。
图6和差器仿真结果
1.4 天线馈电设计
CTS天线阵列中平行板波导采用多个矩形波导作为馈电结构。为了抑制天线方向图H面的副瓣电平，通过改变耦合缝隙的倾角θ来改变P1端口至其他端口的传输系数。P2~P6端口的耦合缝隙倾角θ依次为31.5°，27.0°，20.0°，13.0°，8.5°。馈电结构及P1端口至其他端口的传输系数仿真结果如图7所示。可以看出，P2~P6端口耦合至天线阵列的能量依次减小，各端口沿天线阵面轴对称分布，使得天线阵面中间区域的耦合能量最强，边缘区域的耦合能量最弱，最终实现了天线馈入功率的锥削分布，有效降低了副瓣电平。
2 天线仿真及测试验证
天线整体结构模型如图8所示。天线采用模块化设计，其辐射单元与支撑框架分离，通过标准化螺钉固定于支撑框架上，而和差器与支撑框架采用一体化焊接工艺，以确保机械强度和电性能的优化。该天线结构设计使得各个组件具有易加工、生产难度低、尺寸容错率高等特点，尤其适合高频段应用。
图7馈电结构及P1端口至其他端口传输系数仿真结果
图8天线整体结构模型示意图
天线辐射性能指标仿真与测试结果如表1所示。
表1天线辐射性能指标仿真与测试结果
天线中心频率处的归一化方向图和驻波比如图9所示。可知：在8%的相对带宽下驻波比小于2；在中心频率处增益可达26.9 dBi；H面、E面方向图副瓣电平分别低于-25，-13 dB；天线零深低于-22 dB。测试结果与仿真结果较为吻合，验证了设计的正确性。
图9天线仿真结果
3 结束语
本文设计了一种单脉冲CTS阵列天线，采用串馈的全金属平行板波导结构实现低副瓣的设计，降低了天线剖面。仿真和测试结果表明：该天线在8%的相对带宽下驻波比小于2，在中心频率处增益可达26.9 dBi，H面方向图副瓣电平低于-25 dB，E面方向图副瓣电平低于-13 dB，天线零深低于-22 dB，实现了高增益、窄波束与低副瓣。该天线还具有低损耗、易加工、尺寸容错率高等特点，可应用于卫星导航、雷达探测等高要求应用场景。特别是在需要实现高精度空间探测与遥感的领域，该天线展现出了广阔的前景。