傾斜波束微帶磁八木天線設計

張 昭，曹祥玉，李思佳

(空軍工程大學信息與導航學院， 西安710077)

0 引言

八木天線自1928年問世以來，就以結構簡單和方向性強的特點受到了學者們的深入研究。經過數十年的探索，由傳統八木天線演變而來的各種形式的準八木天線、微帶八木天線層出不窮，這些天線具有低剖面、低損耗、高增益和結構簡單的共性。準八木天線［1-3］以印刷陣子為激勵單元和引向器，截斷的接地板為反射器，通過改進饋電和激勵單元的形式，可以在超寬頻帶內實現水平極化的端射特性;微帶八木天線［4-6］由矩形貼片構成，通過不同的饋電結構可以實現圓極化或線極化輻射，但是由于微帶天線屬于諧振型天線，以其為陣子單元構成的微帶八木天線帶寬很窄。傳統八木天線是在電偶極子基礎上發展而來的，又可稱作電八木天線，與之相對應的磁八木天線則以磁偶極子為陣子單元，除極化方式不同外，磁八木天線也具有傳統電八木天線的諸多特點?？紤]到天線載體的金屬表面和大地表面等應用環境中存在的鏡像作用，垂直極化波所具有的衰減損耗小的優勢使得磁八木天線具有重要的研究價值。

基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技術利用金屬化通孔在介質基片上以傳輸線形式實現了波導場模式的傳播［7］，其具有的結構緊湊、集成度高和損耗低等特點為微波天線發展提供了新的思路和方法［8-11］。文獻［8］將SIW和微帶天線一體化設計，通過不同端口饋電取得了水平極化多波束輻射效果;文獻［9-10］利用SIW上下表面電場相位相差180°的特點分別將其作為饋電結構設計了對數周期天線和準八木天線，但二者的極化方式均平行于天線表面;文獻［11］通過將微帶線的不同邊接地并作為激勵單元，實現了磁八木天線設計，但其整體尺寸過大，達到了2.06λ×1.89λ×0.027λ。在上述研究成果的基礎上，本文借鑒SIW技術和微帶八木天線設計思想，提出了一種具有垂直極化輻射特性的磁八木天線設計方法。該方法以SIW為激勵單元，并將金屬化通孔加載于微帶貼片構成磁偶極子引向器，通過波導場在SIW和引向器間的傳播，實現了垂直極化傾斜波束的輻射效果，天線相對帶寬為16.15%，整體尺寸為1.58λ×0.95λ×0.032λ，實物測試驗證了該方法的有效性。

1 基于SIW的微帶磁八木天線設計

1.1 SIW設計

SIW本質上是一種介質填充波導結構，兩排緊湊的金屬化通孔構成波導窄邊，上下金屬面構成波導寬邊，電磁波在金屬化通孔和上下金屬面所圍成的矩形區域內以類似于介質填充矩形波導的場模式傳輸。SIW主模為準TE10模，截止頻率主要取決于兩排金屬化通孔之間的寬度，其設計步驟如下:

1)根據式(1)所示的SIW寬度Wsiw和等效矩形波導寬度W的關系式［12］，合理選擇Wsiw使SIW在工作頻段內以主模方式工作。

式中:d為金屬化通孔直徑;p為相鄰金屬化通孔之間的距離。

2)為減小相鄰金屬化通孔之間的能量泄漏，使SIW主模場分布近似普通金屬波導主模場分布，通孔直徑d和間距p須滿足如下關系式［13］

式中:λc為SIW截止波長。

3)采用錐形轉換器連接微帶線和SIW，利用仿真軟件優化錐形轉化器的寬度和長度，使微帶線輸出端在較寬頻帶內呈現出50 Ω阻抗特性。

1.2 微帶磁八木天線設計

按照上述步驟，本文設計了工作于 X頻段的SIW，并將其作為激勵單元，設計了X頻段磁八木天線，其結構如圖1所示，優化后的天線參數見表1。該天線由微帶線、錐形轉換器、SIW、耦合貼片、引向器1和引向器2構成，介質基板厚度為1 mm，介電常數為2.2，損耗角正切為0.000 9。微帶線和錐形轉化器兩側設置金屬化通孔，在減小能量泄漏的同時有利于微帶線的準TEM模轉換為SIW的主模，即準TE10模，進而改善天線的阻抗匹配性能。引向器1和引向器2的兩個短邊及一個長邊通過金屬化通孔接地，形成磁偶極子引向器，與耦合貼片一起引導波導場向前傳播。傳統八木天線激勵陣子單元為全向輻射，而在該天線的設計中，由于場能量在微帶線和SIW構成的近似封閉的通道內傳播，其傳播方向具有定向性。因此，省去了反射器的設計，簡化了傳統八木天線的設計過程。

圖2給出了該天線S11、端射方向增益(y軸正向)和最大輻射方向峰值增益的仿真結果，圖3給出了8.7 GHz、9.5 GHz和10.3 GHz時 yoz面(E 面)和 xoy面方向圖，可以看出天線的工作頻段為8.7 GHz～10.3 GHz，相對帶寬達到16.84%，在工作頻段內，峰值增益在6.32 dBi～9.03 dBi范圍內波動，yoz面輻射方向圖呈現出垂直極化輻射特性，xoy面內端射方向也呈現出垂直極化輻射特性。由于天線的接地板為有限尺寸，因此，其波束指向傾斜了34°～48°，當接地板為無限大金屬面時，其波束指向為端射方向［11］。

圖1 天線結構俯視圖

圖2 S11和增益仿真結果

圖3 輻射方向圖

表1 天線參數 mm

2 仿真分析

與傳統金屬波導的場分布一樣，SIW中電場矢量垂直于上下金屬面，將SIW沿導波傳播方向截斷后，破壞了波導結構的封閉性，并且在截斷面處形成一個能量輻射口，由此可以輻射垂直極化波。圖4給出了9.5 GHz不同相位時本文所設計的磁八木天線電場分布情況?？梢钥闯觯Ь€和錐形轉換器兩側的金屬化通孔將大部分能量限制在由金屬化通孔、微帶線和接地板構成的通道內，同時電場在SIW和耦合貼片、耦合貼片和引向器1的縫隙處形成了強分布帶，并且隨著相位變化，電場沿SIW-耦合貼片-引向器方向進行傳播，進而形成了yoz面方向圖呈傾斜輻射狀態、xoy面方向圖呈端射狀態的輻射特性。在此基礎上，進一步仿真分析了引向器數量對天線輻射性能的影響，垂直極化輻射方向圖結果見圖5，由圖可知，隨著引向器數量的增加，天線帶寬幾乎沒有發生變化，yoz面波束傾斜角度有所增加，但同時方向圖出現了柵瓣，起伏波動變大。

圖4 磁八木天線電場分布

圖5 引向器數量對輻射性能的影響

與傳統八木天線不同的是，本文天線借鑒文獻［11］的設計方法，在激勵單元和引向器之間設置了一個耦合貼片用以調節匹配性能。從圖6a)仿真結果可以看出，耦合貼片的長度Lm對天線帶寬影響很大，當Lm=8 mm時，貼片自身諧振頻率與SIW主模頻率基本一致，SIW截斷面處阻抗匹配達到最佳效果，天線阻抗帶寬獲得最大展寬。貼片長度對垂直極化方向圖的影響如圖6b)、6c)所示，它影響著激勵單元和引向器之間的電場相位差，反映到輻射空間則體現為不同長度時yoz面方向圖波束傾斜角度和xoy面方向圖前后比的不同。

圖6 耦合貼片長度對輻射性能的影響

文獻［11］采用半寬度微帶線作為激勵單元，當其長度大于半個波長時，可以通過改變寬度來調節諧振頻率，但是由此導致天線整體尺寸較大。表2列出了本文天線和文獻［11］中四單元八木天線的主要性能參數對比結果。可以看出，引入工作于準TE10模式的SIW作為激勵單元后，本文天線工作頻段內峰值增益和波束傾斜角度雖有一定程度的減小，但是在剖面高度基本一致的情況下，天線帶寬擴展了28.5%，尺寸減小了61.4%，帶寬擴展和尺寸小型化效果顯著。此外，基于SIW結構的饋電形式，省去了傳統八木天線的反射器，簡化了八木天線設計過程。

表2 性能參數對比

3 實測結果

為驗證該設計方法的可靠性，加工制作了天線實物，如圖7所示，在微波暗室中對天線的S11和方向圖進行了測試。圖8給出了天線S11參數的實測結果與仿真結果，實測曲線變化趨勢與仿真結果基本一致但整體向高頻略有偏移，工作頻帶為8.88 GHz～10.44 GHz，相對帶寬為16.15%。圖9分別給出了9.5 GHz時yoz面和xoy面內垂直極化和水平極化方向圖的實測和仿真結果對比圖，可以看出該天線輻射垂直極化波，但由于引向器數量和接地板大小的限制，yoz面方向圖呈現出波束傾斜的輻射特性，這一點與前文分析相吻合。

圖7 天線實物圖

圖8 S11測試結果

圖9 方向圖測試結果

4 結束語

本文提出了一種具有垂直極化傾斜波束輻射特性的微帶磁八木天線設計方法。該方法將SIW作為激勵單元，通過在微帶線和錐形轉換器兩側設置金屬化通孔、將引向器單元通過金屬化通孔接地和附加耦合貼片等途徑，實現了垂直極化傾斜波束的輻射特性，改善了天線的阻抗匹配效果。該天線通過SIW實現八木天線的激勵單元設計，省去了傳統八木天線的反射器，簡化了八木天線的設計過程。加工制作了天線實物，實測工作頻帶為8.88 GHz～10.44 GHz，相對帶寬16.15%，整體尺寸為1.58λ ×0.95λ ×0.032λ，帶寬擴展和尺寸小型化效果顯著。方向圖實測與仿真結果吻合較好，證實了該天線具有垂直極化傾斜波束的輻射特性，驗證了該設計方法的可靠性。該天線為與金屬載體共形的八木天線設計提供了很好的借鑒。

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