一種基于SIW結構的超寬帶圓極化天線設計

姜震華，呂文力，況學偉，史曉雄，高銳達

(1.南京電子技術研究所,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勢，在雷達、衛星通信、導航和無線通信系統中應用廣泛[1]?，F代無線通信的飛速發展，對傳輸速率有了進一步的需求，超寬帶技術因此得到了快速發展，超寬帶天線[2]是其中的關鍵裝置之一。

基片集成波導(SIW)與傳統金屬波導相比，具有結構緊湊、體積小、易于集成等特點[3]，近年來在超寬帶天線設計中受到越來越多的關注[4]。

本文提出了一款可用于毫米波頻段的基于SIW結構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，實現天線輻射波的圓極化；通過引入背腔設計，極大展寬了天線的圓極化帶寬。該天線可實現在主輻射方向上的穩定輻射。

1 基于SIW的圓極化喇叭天線設計

本文所設計的圓極化喇叭天線典型結構如圖1所示，該天線由雙層介質板組成，饋電點設置在上層，采用同軸結構進行饋電。2層介質板中間大多數區域為金屬層。

圖1 圓極化天線典型結構圖

基片集成波導技術是在雙面覆有金屬層的介質基板上打有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窄壁。通過在上下2層介質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，兩側金屬通孔之間距離為W。

輻射喇叭被設計在天線末端，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中順利傳輸，極化器的2側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、介電常數為2.2、損耗角正切為0.000 9的介質及上下和中間的金屬層構成。

由于圓極化器關于2層介質中的金屬層呈對稱結構，其端口定義示意圖如圖2所示。本文所設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在不連續處所產生的電流形成回路，不會對輸入的場產生影響，此時，輻射端口響應仍然是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生大小和方向都相同的壁電流，壁電流在隔層的不連續處被切斷，產生模式的轉換和反射效應，此時，輻射端口響應是TE01模。

奇次模激勵和偶次模激勵所產生的響應之和等價于端口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，產生了2個正交的具有相位差的分量，圓極化波產生過程如圖3所示。當兩相位差成為90°時就形成了圓極化波，這就是圓極化波產生的基礎。

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，均可實現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，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 圓極化天線設計改進

上節所示的天線，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，考慮將天線結構從上下兩介質腔等長變成底層介質腔稍長，從而形成背腔結構。通過對天線模型的仿真優化，本文所設計的圓極化天線的最終結構尺寸為: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。

引入背腔結構后，天線的圓極化性能如圖6所示，其中軸比1表示未引入背腔結構的圓極化帶寬，軸比2表示引入背腔結構后天線的圓極化帶寬。

圖6 圓極化性能對比圖

從圖6可以發現，背腔結構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。

引入背腔結構的圓極化天線，其在主輻射方向(φ=0°,θ=0°)上具有較穩定的輻射增益，具體通帶內增益值曲線如圖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 結束語

圓極化天線在通信和探測等諸多領域都具有重要的應用潛力，本文設計了一種基于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生機理，接著通過在底層介質腔增加背腔結構，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定，在中心工作頻點處增益可達到9.1 dB。