余 晨 洪 伟 翟国华 蒯振起

(东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室,江苏南京210096)

1.引 言

宽带无线通信系统的研究受到越来越多研究者的关注,而宽带天线是其关键技术之一。宽带天线普遍存在增益较低的问题。很多工程应用中,单个天线可能不满足要求,可以通过构造天线阵列来增加增益。

对数周期天线具有宽频带特性,早在20世纪60年代,人们就对自由空间中的对数偶极子阵列(LPDA)[1]天线性能进行了充分地研究和分析,并得到了广泛的应用。随着平面集成电路的发展,重量轻、低成本、低剖面的印刷平面对数周期阵列(PLPDA)成为新的研究和应用热点[2-4]。最近,文献[5]基于半模基片集成波导(HMSIW)馈电成功实现了高频段特别是毫米波频段的印刷平面对数周期天线。

单个印刷平面对数周期天线波束宽度较宽,增益较低。文章在此基础上采用E/H面混合SIW功率分配器设计和研制了2×4印刷对数周期天线阵列,以进一步提高增益。

基片集成波导(SIW)作为一种平面导波技术[6-9]得到了越来越广泛的运用。SIW具有低成本、低剖面、重量轻、易集成、易制作的特点。很多研究结果展示了基于SIW结构的功率分配器研究成果[10-14]。文章设计了一个基于双层E面两路SIW功率分配器和H面四路SIW功率分配器的混合功率分配馈电网络,进而研制了2×4印刷对数周期天线阵列。

文章首先设计了一个1×4印刷对数周期天线阵列,其实测工作频段为10.6～19.5 GHz,增益要比同尺寸的单个印刷对数周期天线高4～6 dB.在此基础上设计的2×4印刷对数周期天线阵列的实测工作频带为11.2～16.7 GHz,其增益比同尺寸的单个印刷平面对数周期天线高7～9 dB.

2.天线阵列的设计与结构

印刷平面对数周期天线是一个由多个偶极子组成的阵列天线,每个偶极子有它自己的谐振频率。偶极子单元对称地印刷在介质的上下表面。单个平面对数周期天线有三个可调节参数:偶极子的个数,每个偶极子的长度和相邻偶极子的间距。偶极子长度与相邻偶极子间距的变化规律应遵循对数规律。每个偶极子有自己的工作频带,多个偶极子工作频带叠加形成了平面对数周期天线的宽带特性。天线单元的参数可以根据Carrel方法来确定[1],其中最长的偶极子对应的工作频率为天线的起始工作频率,其长度大约为起始工作频率对应波长的1/2。

如图1所示,文章中设计的平面对数周期天线的偶极子个数为5,其工作频带为10～23 GHz,天线几何尺寸参数见表1,其中:Ln代表第n个偶极子的半长度;Sn代表第n和第n+1个偶极子之间的间距;W是偶极子的宽度。

表1 单个对数周期天线几何尺寸

图1 单个印刷对数周期天线结构图

文章中设计的H面SIW平面四路功率分配器与以前所报导的有一点不同,这里采用圆弧型拐角线代替直角拐角线。圆弧型拐角线不需要直角拐角线中的金属反射柱,略去了对金属反射柱的位置和尺寸的调节,简化了设计步骤。同时带圆弧型拐角线的功率分配器进一步优化功率分配器的阻抗带宽,如图2所示。图2描述了带圆弧型拐角线和直角拐角线的H面SIW平面四路功率分配器阻抗带宽的最优化仿真结果。SIW的工作频段主要由两排金属化通孔的间距决定,本设计中SIW传输线的两排金属化通孔的间距SIW_W为10.5 mm.

图2 圆弧拐角和直角拐角的SIW功率分配器仿真|S11|

文章设计了一个双层SIW E面功率分配器为2×4印刷对数周期天线阵列馈电。将两个厚度同为0.508 mm的介质板紧密地压在一起,来构造一个双层的E面SIW功率分配器。在E面SIW功率分配器的前端,两层介质间没有金属,两层介质相叠加形成了一段厚度为1.016 mm的SIW传输线。然后在两层介质间插入金属层,把第一段SIW传输线中TE10模的功率垂直地分配到上下两层介质中,上下两层介质各自形成一段SIW传输线,这两个SIW传输线的厚度与宽度都一样。将两层间的金属设计成为劈尖形状,以实现阻抗匹配。SIW传输线的工作带宽主要由线宽决定,这里E面SIW功率分配器中三段SIW传输线的宽度相同,高度分别为1.016 mm 、0.508 mm 、0.508 mm,因此,它们的工作带宽是一致的。E面SIW功率分配器结合H面SIW四路功率分配器为2×4印刷对数周期天线阵列馈电。双层SIW E面功率分配器的结构图如图3所示,基于CST进行了仿真优化。

图3 双层E面SIW功率分配器的结构图

3.天线阵列的仿真和测试结果

天线阵列采用标准的 PCB工艺制作,使用Rogers 5880介质板材,其介电常数为2.2,厚度为0.508 mm.1×4和2×4两个天线阵列的实物图分别见图4和图5。图4展示的是1×4印刷对数周期天线阵列的表层和底层,图5展示的是2×4印刷对数周期天线阵列的细节结构,包括E面SIW功率分配器。图6分别给出了1×4和2×4两个天线阵列反射系数|S11|的仿真和测试的结果,其中1×4印刷对数周期天线阵列|S11|的测量结果和仿真结果基本相似,它在10.5 GHz到19.5 GHz频率范围内,反射系数|S11|小于-10d B.2×4印刷对数周期天线阵列的测量结果显示:它在11.2 GHz到16.7 GHz频率范围内,反射系数|S11|小于-10 d B.

1×4和2×4两个天线阵列在12 GHz、13 GHz、15 GHz和16 GHz上的实测方向图如图7所示。可以看到,1×4和2×4印刷对数周期天线阵列在这几个频点上的辐射方向图非常相似,表明了这种天线的方向图宽带特性。1×4和2×4印刷对数周期天线阵列的E面方向图波束宽度相近,但是2×4印刷对数周期天线阵列H面方向图的波束宽度窄了很多,这和理论结果相符。两个天线阵列的3 dB波束宽度如图8所示。

图9给出了这两个天线阵列的增益测试结果,在11 GHz到17 GHz的频率范围内,2×4印刷对数周期天线阵列的增益比1×4印刷对数周期天线阵列的增益约高1～3 d B.并且天线阵列的最大增益出现在θ=0°,显示了其良好的端射天线性能。

4.结 论

文章中提出用E面SIW功率分配器结合H面SIW多路功率分配器为印刷对数周期天线阵列的馈电方法,进而设计研制了2×4印刷对数周期阵列天线,并给出了仿真和测量结果。结果表明:这种天线阵列同时具有阻抗带宽和方向图带宽的宽带特性。

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