【實驗案例】帶集成功率分配器的全介質棒天線陣列帶集成功率分配器的全介質棒天線陣列是一種特殊的天線系統，它結合了全介質棒天線的高輻射效率和良好定向性，以及集成功率分配器的靈活分配功能，能夠實現更高效、更靈活的天線性能。通過集成功率分配器對各個介質棒天線單元的饋電進行精確控制，可以實現波束的精確賦形和掃描，滿足復雜通信和雷達系統的需求。實驗目的基于多模干擾原理的功率分壓器設計，旨在通過單一步驟實現既包含一維又包含二維功率分配的功能，從而顯著減小天線陣列的尺寸與重量。為了驗證這一創新概念，我們設計、制造并表征了兩種集成功率分配器支持的全介質天線陣列：1×4和4×4配置，這些陣列采用交聯聚苯乙烯材料精細研磨制成，工作頻率覆蓋90GHz至105GHz的頻段。設計與實現陣列設計：集成式的功率分壓器結構，該結構直接嵌入天線陣列中，減少了傳統設計中所需的額外組件和連接，從而實現了結構的小型化和輕量化。材料選擇：選擇交聯聚苯乙烯材料作為主要材料，因其具有良好的介電性能和加工性。同時還對比了PrepermL300和PrepermL440兩種材料在1×4陣列中的應用。制造工藝：所有演示樣品均通過高精度銑削技術完成，同時也采用3D打印或注塑成型技術。性能評估增益與方向性：根據陣列的具體尺寸和材料選擇，增益范圍在12.5dBi至22dBi之間，顯示出優異的輻射效率和方向性。同時，副瓣電平保持在7.5dB以下，確保了良好的波束質量和抗干擾能力。小型化與波束導向：通過集成功率分壓器的設計，實現了天線陣列的小型化。圖1所示為集成功率分流的DRA陣列，1×4陣列。該饋電結構，具體實現為一個亞波長分布式波導（DWG），其邊長a為1.8毫米，并且這個饋電結構位于功率分配器（PowerDivider）部分的中心位置。這樣的亞波長DWG足夠大，可以進行機械處理和穩定，但仍保持單模傳播。為了減輕輻射損失，MMI截面不會立即加寬到最大寬度w=12.25mm。圖2（a）顯示了用交聯聚苯乙烯材料研磨制作成的天線。為了測量，介電饋電被連接到一個WR10空心波導到介電波導躍遷。天線和波導過渡一起安裝在轉盤上進行模式表征（圖2b）。參考天線為22dBi標準增益喇叭天線。圖3概述了增益、副瓣電平（SLL）和輸入反射隨頻率變化的行為。測量得到的增益在16.5dBi至18dBi之間，而在設計范圍內，副瓣電平保持在-10dB以下。為了驗證實際中的1/16功率分配以及模擬的相應相位分布，采用交聯聚苯乙烯材料整體銑削了1:16功率分配器。由于實驗室中只能同時測量兩個端口，而其他所有端口都必須良好匹配，因此需要實現可適應的端口訪問。這通過使用插針-插孔結構來實現，以便能夠將測量探頭或輻射元件連接到端口上。當測量一個端口時，會連接一個介電輸出，而其他所有端口則用輻射錐面終端連接，以便從被測端口輻射出去。這種測量原理如圖4所示。沿介質棒天線（DRA）元件的受控相位差提供了合理的波束控制能力。相控陣可以提供可重新配置的相位關系，以引導波束向不同方向傳播，但必須通過使天線元件靠得更近來抑制柵瓣。為了評估小型化和波束控制能力，研究了高介電常數材料。出于設計、制造和驗證方面的簡單性考慮，這里僅考慮一維天線陣列。然后，將它們與上文介紹的1×4陣列進行比較。該設計簡單明了，由于介電常數的增加，單模光纖的尺寸會減小。同樣，MMI部分的總體尺寸也會減小，從而允許更緊湊地放置輸出端口，進而使天線元件更加緊湊。所考慮的材料是Premix的PrepermL300和L440，它們的后繼產品現在分別被稱為PrepermPPE300和PPE440，，其相對介電常數分別為εr,L300=3.0和εr,L440=4.4。表1比較了這些材料和天線陣列的重要參數。所有陣列均作為整體從相應材料上銑削而成，如圖5所示。與使用交聯聚苯乙烯材料相比，使用PrepermL440可使橫截面積減少52%。事實上，特別是在L440的情況下，模擬預測的匹配比測量的更差，突出了在測量范圍內材料的損失切線的不確定性。此外，這兩種高介電常數結構都必須手動調整，以適應WR10的過渡，這增加了公差。綜上，介質棒天線已被證明是一種易于控制的天線元件，因為僅需要錐形化單模波導即可形成天線。由于功率分配具有相等的幅度但不一定具有相等的相位，因此為了獲得滿意的天線方向圖和增益，必須進行相位調整。因此，介質棒天線（DRA）顯示出不同的錐形長度。本文提出了一種一維和二維介質棒天線陣列，其增益范圍在12.5dBi至22dBi之間，具體取決于陣列大小、頻率和材料。在設計范圍90GHz至105GHz內，旁瓣電平低于-10dB，但由PrepermL440制成的陣列除外。所提出的具有較高介電常數的材料L300和L440在減小尺寸和重量以及減小元件間距的同時，整體性能可與介電常數較低的1×4交聯聚苯乙烯陣列相當。在所有提出的設計中，模擬結果與測量結果均顯示出良好的一致性，