基于SIW的双频圆极化天线设计*

2019-05-31周伯乐

通信技术 2019年3期

周伯乐，陈晖，张云

（1.军委训练管理部军事体育训练中心，江苏南京 210007；2.陆军工程大学通信工程学院，江苏南京 210007；3. 东部战区联合训练和评估保障中心，江苏南京 210000）

0 引言

近些年来，无线通信技术飞速发展，蜂窝电话、全球定位系统（GPS）、合成孔径雷达（SAR）、卫星通信、个人通信等领域都需要重量轻、剖面低、制造简单、易共形的宽频带或双频段天线[1］。

为了能够使天线双频工作,通常可以通过以下几种方法实现：①层叠贴片；②共面贴片；③模式正交；④集总元件加载（包括短路针、缝隙等）；⑤加载人工电磁结构。文献[2-3］中提出了一种新颖的圆极化微带天线的设计方法，即通过将印刷磁偶极子与一个环形结构或者一个电偶极子组合实现。尽管该方法能够实现圆极化端射辐射特性，但是存在着显著的缺陷，如带宽窄、馈电方式受限以及不易组阵等。

为此，本节提出了一种基于SIW加载技术的圆极化双频天线。通过在微带贴片顶端的偶极子侧面另加载一对形状不同的偶极子实现双频特性；通过SIW口径与印刷电偶极子为两种正交的场分量提供90°的相位差，实现圆极化特性。该天线两个频段的阻抗带宽分别达到46%与27%，轴比带宽分别为3.3%与10.9%，最大增益分别达到5.8 dBi与9.3 dBi。该天线有较好的圆极化特性，剖面较低，制作简单，成本较低，在无线通信系统中具有重要的应用价值。

1 天线的结构和分析

天线单元结构如图1所示，该天线介质基板的介电常数为2.2、厚度为2 mm。天线共有两排金属化过孔，过孔的直径为d，过孔之间的距离为p，两排过孔的距离为w。

图1 宽圆极化天线结构

天线在远场的辐射主要由SIW口径以及印刷电偶极子产生。SIW口径能够产生主要沿z轴方向的电场分量而电偶极子产生主要沿x轴方向的电场分量，两种电场模式相互正交。SIW口径与印刷电偶极子之间间距为d3，它能够为两种正交的场分量提供90°的相位差。至此，实现圆极化端射辐射的必要条件都已经满足。

天线的圆极化性能主要取决于电偶极子的长度l2以及SIW口径与电偶极子的间距d1。首先电偶极子的长度应设定为λ0/2，其中λ0为自由空间波长。下面确定间距的初始值。一方面，由于空间位置的不同，在y轴方向上，SIW口径滞后于电偶极子的相位为：

同时，由于馈电的先后顺序，电偶极子滞后于SIW口径的相位为：

其中，λg为波导波长。因此，为实现圆极化端射特性，需满足：

求解得：

依据上述公式，能够基本确定天线的工作频率，图2、图3进一步给出了上述d1、l1对天线性能的影响规律。两参数均对天线的阻抗带宽存在较大影响。

图2 回波损耗随长度d1的变化曲线

图3 回波损耗随长度l1的变化曲线

当基本确定上述两个主要参数后，已经满足实现圆极化辐射的必要条件。然而SIW开路辐射器通常带宽非常窄且辐射特性差。因此，当电偶极子直接与SIW口径相连时，圆极化单元的带宽非常窄，如图1所示。当在SIW口径与电偶极子之间引入一个三角形的巴伦结构时，SIW的有效口径得到扩展，因此天线的阻抗带宽和轴比带宽都能显著展宽。该天线结构采用HFSS软件进行仿真，并进行相关参数分析。巴伦长度w2对天线阻抗带宽的影响如图4所示。

图4 回波损耗随长度w2的变化曲线

2 优化结果

通过使用电磁仿真软件HFSS进行参数优化，最终的参数为：w=12 mm，l=35 mm，a=8 mm，b=20 mm，d1=6.5 mm，d2=8 mm，d3=3.5 mm，w1=0.5 mm，w2=2.4 mm，l1=4.2 mm，l2=3 mm，p=1.4 mm，d=0.8 mm。天线的回波损耗曲线如图5所示，该天线两个频段的阻抗带宽分别达到46%与27%。

图5 回波损耗曲线

轴比曲线如图6所示，可以看出，天线在18 GHz以及26 GHz附近同时实现了圆极化，轴比带宽分别为3.3%与10.9%。天线增益曲线如图7所示，最大增益分别达到5.8 dBi与9.3 dBi。天线在18 GH以及26 GHz处的远区辐射方向图如图8所示，从图中可以看出，天线实现了良好的端射辐射，同时在两个频率处实现了左旋圆极化，且在端射方向上的交叉极化电平均大于20 dB。天线在18 GHz处的后向辐射较大，从而降低了天线增益；而在26 GHz处的后向辐射较小，天线增益较大。