一種基于SIW結(jié)構(gòu)的超寬帶圓極化天線設(shè)計

姜震華，呂文力，況學偉，史曉雄，高銳達

(1.南京電子技術(shù)研究所,江蘇 南京 210039；2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101；3.解放軍63612部隊，甘肅 酒泉 736200)

0 引 言

圓極化天線因其抗多徑衰落、抑制雨霧干擾等顯著優(yōu)勢，在雷達、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[1]。現(xiàn)代無線通信的飛速發(fā)展，對傳輸速率有了進一步的需求，超寬帶技術(shù)因此得到了快速發(fā)展，超寬帶天線[2]是其中的關(guān)鍵裝置之一。

基片集成波導(dǎo)(SIW)與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于集成等特點[3]，近年來在超寬帶天線設(shè)計中受到越來越多的關(guān)注[4]。

本文提出了一款可用于毫米波頻段的基于SIW結(jié)構(gòu)的超寬帶圓極化天線，天線采用同軸饋電，使用階梯漸變圓極化器，實現(xiàn)天線輻射波的圓極化；通過引入背腔設(shè)計，極大展寬了天線的圓極化帶寬。該天線可實現(xiàn)在主輻射方向上的穩(wěn)定輻射。

1 基于SIW的圓極化喇叭天線設(shè)計

本文所設(shè)計的圓極化喇叭天線典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線由雙層介質(zhì)板組成，饋電點設(shè)置在上層，采用同軸結(jié)構(gòu)進行饋電。2層介質(zhì)板中間大多數(shù)區(qū)域為金屬層。

圖1 圓極化天線典型結(jié)構(gòu)圖

基片集成波導(dǎo)技術(shù)是在雙面覆有金屬層的介質(zhì)基板上打有2排金屬化垂直過孔陣列，利用該2排金屬化過孔陣列模擬波導(dǎo)窄壁。通過在上下2層介質(zhì)中均勻布置金屬通孔，形成SIW諧振腔，使電磁能量能在其中高效傳輸，兩側(cè)金屬通孔之間距離為W。

輻射喇叭被設(shè)計在天線末端，其傾角為α，長度為La。激勵腔與輻射喇叭之間設(shè)置了長度為L2的圓極化器，通過同軸饋電所激勵起的主模TE10模的電磁波，在通過圓極化器后，出現(xiàn)TE10和TE012種模式的電磁波，在末端合成后形成圓極化波，向外輻射。為使TE01模的電磁波能在介質(zhì)中順利傳輸，極化器的2側(cè)采用了金屬傳輸腔而不是金屬化通孔傳輸腔。整個天線由2層厚度為h、介電常數(shù)為2.2、損耗角正切為0.000 9的介質(zhì)及上下和中間的金屬層構(gòu)成。

由于圓極化器關(guān)于2層介質(zhì)中的金屬層呈對稱結(jié)構(gòu)，其端口定義示意圖如圖2所示。本文所設(shè)計的天線輻射圓極化波的理論分析可以通過奇偶模分析完成。

圖2 端口定義示意圖

端口1和2同時被激勵，當使用偶次模激勵[5]時，由于金屬隔層的上下壁的電流大小相等、方向相反，壁電流在隔層的階梯處不會被切斷，2個分支端口的矩形波導(dǎo)在不連續(xù)處所產(chǎn)生的電流形成回路，不會對輸入的場產(chǎn)生影響，此時，輻射端口響應(yīng)仍然是TE10模。

端口1和2同時被激勵，當使用奇次模激勵時，在金屬隔層的上下壁產(chǎn)生大小和方向都相同的壁電流，壁電流在隔層的不連續(xù)處被切斷，產(chǎn)生模式的轉(zhuǎn)換和反射效應(yīng)，此時，輻射端口響應(yīng)是TE01模。

奇次模激勵和偶次模激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)之和等價于端口1用幅度為2的模進行激勵，這樣就會在端口3處產(chǎn)生圓極化。

綜上所述，當端口1用TE10模式進行激勵時，端口3的輸出為：

E3=ETE10+ETE01=ejθ1ay+1-τejθ2ax

(1)

通過奇偶模激勵法可以看出，在端口3輸出時，產(chǎn)生了2個正交的具有相位差的分量，圓極化波產(chǎn)生過程如圖3所示。當兩相位差成為90°時就形成了圓極化波，這就是圓極化波產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

2 基于SIW的圓極化喇叭天線性能分析

該天線的阻抗帶寬性能如圖4所示，在16～22 GHz的頻帶內(nèi)，均可實現(xiàn)良好的電磁能量輻射，所以該天線的阻抗帶寬達到31%。

圖4 天線阻抗帶寬

如圖5所示，在主輻射方向上(φ=0 °，θ=0°)，在17.93～18.92 GHz的頻帶范圍內(nèi)，所輻射的電磁波軸比小于3 dB，因此，該天線的圓極化帶寬可以達到5.2%。

圖5 天線圓極化帶寬

3 圓極化天線設(shè)計改進

上節(jié)所示的天線，雖然阻抗帶寬較寬，但圓極化帶寬顯窄，為拓展天線的圓極化帶寬，考慮將天線結(jié)構(gòu)從上下兩介質(zhì)腔等長變成底層介質(zhì)腔稍長，從而形成背腔結(jié)構(gòu)。通過對天線模型的仿真優(yōu)化，本文所設(shè)計的圓極化天線的最終結(jié)構(gòu)尺寸為:L1=10 mm，d2=0.65 mm，d=0.45 mm，h=4.35 mm，w=7.05 mm，α=32.6°，L2=10.08 mm，L3=9.66 mm，L4=6.18 mm，L5=3.71 mm，h1=1.52 mm，h2=2.13 mm，h3=1.38 mm，h4=1.1 mm。

引入背腔結(jié)構(gòu)后，天線的圓極化性能如圖6所示，其中軸比1表示未引入背腔結(jié)構(gòu)的圓極化帶寬，軸比2表示引入背腔結(jié)構(gòu)后天線的圓極化帶寬。

圖6 圓極化性能對比圖

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，背腔結(jié)構(gòu)的引入將天線的圓極化帶寬從5.2%提升到19.2%，極大提升了天線的圓極化輻射性能。

引入背腔結(jié)構(gòu)的圓極化天線，其在主輻射方向(φ=0°,θ=0°)上具有較穩(wěn)定的輻射增益，具體通帶內(nèi)增益值曲線如圖7所示。

圖7 天線增益圖

改進后的天線主輻射方向上的方向圖如圖8所示。三維方向圖如圖9所示。

圖8 天線方向圖

圖9 天線3D方向圖

4 結(jié)束語

圓極化天線在通信和探測等諸多領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用潛力，本文設(shè)計了一種基于SIW的超寬帶圓極化喇叭天線。首先通過奇偶模分析，解釋了其圓極化波的產(chǎn)生機理，接著通過在底層介質(zhì)腔增加背腔結(jié)構(gòu)，提升了該天線的阻抗及圓極化帶寬，使得阻抗帶寬達到31.1%，圓極化帶寬達到19.2%。該天線在主輻射方向上增益穩(wěn)定，在中心工作頻點處增益可達到9.1 dB。