一種基于半模SIW的多波束輻射天線

霍興瀛，李 錚

(1.六盤水師范學院 計算機科學學院，貴州 六盤水 553000；2.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

隨著無線通信朝著高頻、高質量不斷發展，其對通信速率及通訊覆蓋范圍都提出了新的要求.無論在移動通信還是衛星通信等領域，電波覆蓋性能與通信容量都成為了新的挑戰.而傳統的單波束天線已經在這一需求中逐漸顯現出了不可忽視的弊端.多波束天線能夠在單個天線口面產生不同方向的獨立的輻射波束，在無線電波覆蓋能力上具有先天的優勢.因此，研究多波束天線對于無線通信的高質量發展具有重要的意義.

近年來，人們對多波束天線的研究主要基于無線通信應用[1-2]、衛星通信應用[3-7]、雷達探測[8-9]等方面.在無線通信系統中，當利用非正交多址接入技術處理大規模毫米波天線系統中的用戶分組時，常常會受限于基站波束寬度，而這一問題可以利用多波束天線解決[1]；除此之外，還可以利用天線多波束性能展寬通信覆蓋范圍，提升通信容量[2].在衛星通信應用中，主要是結合超表面超材料等新技術，利用相控陣設計天線的多波束輻射特性，實現子陣列波束預編碼，以此提高頻譜效率[3,7].在雷達探測方面，主要是利用天線多波束輻射特性增強地面探測能力[8]以及提升搜索性能[9].除此之外，文獻[4]利用多路饋電方法設計了多波束天線，并實現了波束的可切換特性，文獻[5]利用口面場參數法及目標函數優化法，對多波束輻射性能進行算法綜合設計與迭代優化，提升了多波束題天線設計的效率，文獻[6]基于旋轉單元法，設計了多波束天線的圓極化特性.

在以上研究中，不難發現，實現多波束輻射通常采用陣列設計[6-9]，通過對不同子陣列的輻射單元進行相位分布設計，實現各子陣列的不同波束指向,而相控陣的結構復雜、成本高，在一些民用場景并不具備優勢.部分多波束天線則是利用多饋電點實現不同單元波束獨立輻射[1-5]，饋電結構復雜，天線尺寸大.因此，文中基于高質量無線通信發展應用需求，以半模基片集成波導(SIW)為基本結構，設計了平面3波束輻射天線.該天線結構簡單，剖面低，且饋電簡單易安裝，具有較好的研究價值.

1 天線結構與輻射原理

研究所提出的多波束輻射天線結構如圖1(a)和圖1(b)所示.天線基本結構由介質板與上層貼片和下層地板組成，貼片與地板的尺寸是介質的一半.貼片與地板利用結構邊緣的單排金屬過孔連接.周期性結構沿著天線軸向分布，輻射單元由矩形縫隙和金屬過孔組成，結構與參數如圖1(c)所示.

圖1 基于半模SIW的多波束天線結構

研究首先對半模SIW天線介質參數進行設計，使其基模傳播常數β0與自由空間傳播常數k0相當，從而實現天線端向輻射.然后設計周期性輻射單元結構與尺寸，使其-1次諧波傳播常數β-1滿足輻射條件，使上層金屬貼片的周期性矩形縫隙在上半空間產生輻射波束.基于半模SIW半開放結構，天線在上下2個空間都有輻射波束，并且該波束具有一定的掃描特性.

2 仿真與結果

天線采有損FR-4作為介質基板，介電常數為2.2，損耗角正切為 0.000 7，介質厚度為h，長和寬分別為L和W.金屬貼片與地板尺寸為介質板的一半，且上下對稱.周期性矩形縫隙長和寬分別為ls和ws，縫隙沿著橫向(x方向)排布，縫隙中心與貼片橫向與縱向邊緣距離分別為ΔL和ΔW.周期金屬圓柱半徑為a，第1個金屬圓柱與貼片橫向與縱向邊緣距離分別為Δl和Δw.

表1 天線參數列表

天線S參數的仿真結果如下圖2所示，可以看出，天線在4～20 GHz 頻帶范圍內S11都小于 -10 dB，阻抗帶寬超過80%.

圖2 天線S參數仿真結果

圖3給出了不同頻率時天線的歸一化輻射方向圖，可以看出，天線在端向及兩側能輻射出3個波束，其中，由基波控制的端向輻射不隨頻率發生變化，而由-1次諧波控制的上下空間2個對稱波束隨頻率具有一定的掃描特性.當頻率為 12 GHz 時，天線最大增益達到 15.5 dB.為進一步說明本文所提出天線的性能優勢，下表2給出了該天線與參考文獻[4]中類似天線的性能比較，可以看出，在結構尺寸相當時，文中天線具有更大的帶寬與更高的增益，且饋電結構簡單，具有很大的性能優勢.

圖3 不同頻率天線的歸一化輻射方向圖仿真結果

表2 本文天線與類似天線的性能比較

3 結語

研究所提出的基于半模SIW的平面多波束天線，能夠利用基波與-1次諧波同時輻射出3個獨立的波束.天線結構與饋電方式簡單，天線阻抗帶寬大，增益高，對于無線通信電波覆蓋具有很好的應用前景.