非偏置間隙波導縫隙天線設計

方 鑫,李 想,2,王 昊,,權雙龍

(1.南湖實驗室,浙江 嘉興 314002;2.電磁空間認知與智能控制技術實驗室,北京 100191;3.南京理工大學,江蘇 南京 210094)

0 引 言

天線在各種無線通訊系統中,是重要的前端器件,主要功能是接收和發射空間中無線電波的能量。在自由空間中,毫米波具有較為嚴重的路徑損耗和大氣損耗,在毫米波段,波導縫隙陣列天線更具優勢。波導縫隙天線陣列一般由許多開在矩形金屬波導壁上的縫隙組成,具有口徑分布易于控制、易于實現窄波束寬度、副瓣電平低、損耗低、容量大、結構緊湊牢固、易于集成等諸多優點[1-2]。

間隙波導通過將金屬柱周期性排列形成了電磁帶隙結構,阻斷了電磁波的傳播。兩側的電磁帶隙結構與頂層金屬板之間存在一定高度的空氣間隙,在加工裝配中不需要嚴格的電連接,極大地降低了加工難度。因此,間隙波導不僅具有與矩形波導可比擬的傳輸性能,而且克服了矩形波導剖面高、體積大,加工裝配要求高、成本過高的缺點,為毫米波天線的設計提供了新的選擇[3-4]。

本文基于槽線間隙波導(GWG)技術設計了一款非偏置縫隙天線。通過金屬膜片對GWG中場進行微擾,實現了非偏置的縫隙天線,并利用不同的梢釘結構來進行電容電感值的補償匹配。天線由同軸連接器從中心饋電,仿真結果表明了天線設計實現的可行性,該天線具有增益高、低交叉極化、功率容量大、易于加工裝配等特點。

1 GWG結構設計

槽型間隙波導(GGWG),由上下兩塊平行的金屬板、兩側的周期性電磁帶隙(EBG)結構組成[5-8]。EBG結構形成高阻抗表面,破壞了平行板模式。根據麥克斯韋方程推導,當上層金屬板與其距離小于1/4空氣波長時,任何方向的電磁波都不能傳播,電磁波只能在板間的槽結構之間傳播。EBG結構與上層金屬板間空氣間隙的存在,使得GWG板間不需要嚴格電連接,這是GWG的顯著優點。與矩形空腔波導的傳輸特性類似,主要傳輸模式為TE10模,電磁波主要在平行板之間的溝槽傳播,槽寬決定傳輸模式。

純金屬結構GWG如圖1所示,通常需要至少兩排金屬梢釘形式的EBG結構。筆者利用HFSS的特征模Eigenmode模塊,分析了其理想磁導體(PMC)和阻帶特性。GWG傳輸線的物理尺寸與阻帶特性如圖2所示。其阻帶范圍為23～58 GHz。對GWG傳輸線進行S參數計算,傳輸線帶寬能夠滿足30～50 GHz頻率范圍。GWG傳輸線S參數如圖3所示。

圖1 GWG結構示意圖

圖2 周期梢釘結構尺寸以及本征模分析

圖3 GWG傳輸線S參數

2 天線結構分析與設計

GWG傳輸線主要傳輸模式為TE10模,與矩形空腔波導傳輸特性類似。常見的寬邊波導縫隙天線通過偏置縱向縫隙切割波導電流方式進行輻射。對于非偏置縫隙,由于沒有切割電流,無法進行能量輻射,因此在縫隙側邊采用了金屬膜片對GWG中的場進行圍繞,從而實現電流切割[9-10]。為保證單元間相位一致性,金屬膜片的位置在縫隙左右依次排列,如圖4所示。圖5展示了加金屬膜片前后的表面電流分布,加膜片前縫隙未切割電流,表面電流能量很小。加金屬膜片后縫隙產生了電流切割,產生了電流輻射。

圖4 金屬膜片激勵非偏置縫隙結構

圖5 加膜片前后GWG表面電流

對加了金屬膜片的縫隙進行等效電路的模型分析,將輻射縫隙等效為并聯導納,導納又等效為一個RLC串聯電路[11]。GWG縫隙等效電路模型如圖6所示。調整金屬膜片的尺寸可以調整縫隙的導納值,圖7為計算出的縫隙模型對應的導納值,包含實部與虛部,Y=G+jB?？梢娫诮饘倌て募钕庐a生了輻射,但也帶來了較大的電容分量,即B值偏大。為了補償該電容分量,在GWG下層增加了金屬梢釘結構,位于縫隙兩邊依次排列,如圖8所示,從而進行電感補償。圖9為增加金屬梢釘結構后的導納值分布,可見金屬梢釘對于電導有一定的影響,對于電納的電感分量補償有效。優化調整金屬膜片和金屬梢釘的尺寸,使兩者之間達到較好的匹配效果。

圖6 GWG縫隙等效電路模型

圖7 導納值分布(加梢釘補償前)

圖8 金屬梢釘結構示意圖

圖9 導納值分布(加梢釘補償后)

3 仿真結果與分析

利用上述非偏置縫隙作為天線陣列的輻射元件,設計了1個八單元中心饋電的縫隙陣列天線,如圖10所示。采用尾端為圓盤結構的同軸連接器磁耦合進行饋電。

圖10 八單元縫隙天線模型

圖11～圖12為利用HFSS仿真軟件計算天線的電壓駐波比(VSWR)和方向圖結果。結果顯示天線在34.04～37.6 GHz頻帶內VSWR小于2,帶內方向圖如圖12所示,主瓣內交叉極化低于-40 dB,天線效率大于85%。

圖11 天線VSWR仿真結果

圖12 天線方向圖仿真結果

4 結束語

本文基于槽線間隙波導技術設計了一款非偏置縫隙天線。通過金屬膜片對GWG中場進行微擾,實現了非偏置的縫隙天線。并利用金屬梢釘結構來進行電容電感值的補償匹配。設計了八單元縫隙天線,由同軸連接器從中心饋電,仿真結果表明了天線在34.04～37.6 GHz頻帶內VSWR小于2,主瓣內交叉極化低于-40 dB,天線效率大于85%。該天線具有效率高、交叉極化低、功率容量大、易于加工裝配等特點。