基片集成波導(dǎo)X型縫隙結(jié)構(gòu) 行波圓極化天線及陣列

1 引言

圓極化天線在移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信中得到廣泛應(yīng)用。由于圓極化天線輻射的電磁波在傳播方向上其電矢量的端點(diǎn)軌跡是圓，故在接收時(shí)接收天線的方位角改變不會(huì)影響到接收質(zhì)量。在衛(wèi)星通信中，利用圓極化天線發(fā)射電磁波可以使得地面接收站以任何姿態(tài)或角度接收，而不需要像線極化天線那樣進(jìn)行極化方位角度的對(duì)準(zhǔn)，便于移動(dòng)中的衛(wèi)星地面通信。

2 輻射單元結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)理論

在波導(dǎo)頂面有許多圓極化的輻射單元，天然的圓極化單元大致有兩種：小圓孔和X型縫隙。一般在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，X型縫隙的輻射效率較高，所以得到廣泛的應(yīng)用^[3]，波導(dǎo)上X型縫隙的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 波導(dǎo)頂面的X型縫隙圓極化輻射單元

以圖1為坐標(biāo)系約定，設(shè)波導(dǎo)的TE₁₀模式在波導(dǎo)頂面的磁場(chǎng)為：

(1)

(2)

其中A₁₀是一個(gè)幅度常數(shù)，a是波導(dǎo)寬度，，，H_x是X方向上的磁場(chǎng)，H_z是Z方向上的磁場(chǎng)。在z=0處，令|H_x|=|H_z|，可以得到：

(3)

由于當(dāng)H_x與H_z幅度相等時(shí)，它們的相位關(guān)系是正交的（式(1)中的j因子），故在圖1中標(biāo)示出的波導(dǎo)頂面的圓極化輻射點(diǎn)其H_x與H_z合成的場(chǎng)矢量端線是左旋或右旋極化的。由于表面電流，所以表面電流是左旋或右旋的。在對(duì)應(yīng)波導(dǎo)上的點(diǎn)開啟一個(gè)小圓孔就可以實(shí)現(xiàn)圓極化的輻射。在實(shí)際運(yùn)用中，為了增加輻射效率，一般將小圓洞替換成為兩個(gè)相互交叉的縫隙如圖1所示。其中q角和參數(shù)x經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整可以使得一定的角度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)近似于圓極化的輻射。當(dāng)輻射單元工作在行波模式時(shí)，從一個(gè)端口來的TE₁₀波在頂面上的極化方式是左旋極化。將行波方向改變，從另一個(gè)端口饋送TE₁₀波就會(huì)實(shí)現(xiàn)右旋極化。

這樣就可以實(shí)現(xiàn)極化分集或收發(fā)共用一幅天線。由于SIW與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等效性，SIW天線縫隙參數(shù)可以用于其對(duì)應(yīng)的等效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)代替，這樣SIW天線可以歸結(jié)為等效波導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)^[4]。等效輻射單元的HFSS模型如圖2所示。圖中，等效波導(dǎo)被埋在一個(gè)2λ₀×2λ₀的金屬塊內(nèi)，四周和上方λ₀處為輻射邊界條件。由于在SIW兩邊需要鉆孔，從而縫隙的邊緣不能到達(dá)等效波導(dǎo)的最邊上，參數(shù)t=0.1875mm保證了縫隙不超過SIW兩邊鉆孔的邊界，縫隙超過邊界的部分都被導(dǎo)體蓋住，如圖2中的縫隙。在16GHz，使用介電常數(shù)ε_r=2.2的Rogers 5880介質(zhì)作為等效波導(dǎo)的材料，介質(zhì)的厚度為h=1.5748mm，等效波導(dǎo)的寬度a=8.75mm，等效波導(dǎo)上層金屬厚度為0.02mm，與PCB板材敷銅層厚度一致。

圖2 等效波導(dǎo)X型縫隙的模型

圖3 法向軸比，S₂₁幅度與縫隙長(zhǎng)度之間的關(guān)系

按照式(3)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出圖2中參數(shù)x的值（x=2.129mm）。由于等效波導(dǎo)內(nèi)的激勵(lì)模式為行波TE₁₀模，所以X型縫隙工作在非諧振狀態(tài)，其輻射效率基本上與縫隙的長(zhǎng)度成正比。參數(shù)q可以用來校正微小的軸比惡化。當(dāng)選定參數(shù)q=45°，w=0.3 mm，l=3.5mm~7mm時(shí)，經(jīng)過仿真可以得到S₂₁參數(shù)和法線方向的軸比如圖3所示。圖中可以看出隨著縫隙長(zhǎng)度的增加輻射效率是增加的，S₂₁幅度是縫隙長(zhǎng)度的減函數(shù)。但是法向軸比隨著縫隙長(zhǎng)度的增加而增加，這主要是由于在前面圓極化輻射理論的假想是一個(gè)小圓洞或小的X型縫隙輻射，在指定點(diǎn)上的頂面磁場(chǎng)是圓極化的。

隨著X型縫隙尺寸的增加，上述輻射理論就會(huì)有所偏差，因而軸比也隨之惡化。但是在仿真中發(fā)現(xiàn)，隨著縫隙長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加（l=6.0mm~7 mm）法向方向的軸比會(huì)變得更好，這是因?yàn)槟Ｐ椭?em>t的設(shè)置擋住了X型縫隙的上半部分，從而使得X型縫隙上半節(jié)變短，對(duì)軸比有了一定程度的改善。由于SIW是介質(zhì)填充的減高波導(dǎo)，該輻射單元的輻射效率較低，在縫隙最大的地方S₂₁的幅度為0.87，對(duì)應(yīng)大約25%的能量被輻射出去，在組成行波陣列的時(shí)候需要比較多的單元才能達(dá)到較高的效率。該單元的反射系數(shù)隨著縫隙的增加而略有惡化，不過均在-25dB以下，基本上可以做到忽略不計(jì)。

3 陣列天線的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于X型縫隙的線性陣列，雖然單個(gè)單元反射系數(shù)很小，但是由于輻射單元之間有空間互耦會(huì)惡化整個(gè)天線陣列的反射系數(shù)。為了消除互耦，在設(shè)計(jì)陣列時(shí)對(duì)主瓣波束稍作傾斜，使其稍微偏離法線方向，這樣各個(gè)陣列單元因空間中互耦而疊加到波導(dǎo)管內(nèi)的反向行波可以在輸入端相互抵消，從而改善天線的駐波性能。由于主瓣的方位不在法線方向，故X型縫隙的夾角q要稍作調(diào)整來適應(yīng)在指定方向的最低軸比，對(duì)于縫隙的寬度w也可以適當(dāng)加大來得到更高的輻射效率，這樣，設(shè)計(jì)的陣列仿真模型如圖4所示（陣列共22個(gè)單元）。

圖4 圓極化22單元陣列模型及參數(shù)

圖中參數(shù)p用來控制主瓣傾斜角度。由于線陣列接地面不是無限大，所以邊緣的效應(yīng)必須考慮。參數(shù)e是等效波導(dǎo)與PCB邊緣之間的距離。在16GHz頻點(diǎn)上，經(jīng)過優(yōu)化可以得到參數(shù)q=42.2°，w=1mm，x=2.2 mm，l=7mm，p=11mm，e=7.3125mm，等效波導(dǎo)寬度a=8.75mm對(duì)應(yīng)著SIW寬度為9.375mm（16GHz時(shí)的半個(gè)自由空間波長(zhǎng)），PCB通孔直徑為0.8mm，間隔為1.2mm，t =0.1875mm，基片的介質(zhì)厚度為1.5748mm。波束傾斜角度約為25°偏離天線法向方向。在16GHz頻點(diǎn)上的方向圖和軸比的結(jié)果如圖5所示。在主瓣方向的軸比為1.58dB，天線由22個(gè)相同的單元構(gòu)成，增益為16.9dB。旁瓣電平小于-15dB。軸比在主瓣的附近位置均低于2dB，在3dB軸比限制下的角度范圍大約為76°，是一個(gè)圓極化角度較寬的天線陣列。

圖5 天線16GHz頻點(diǎn)時(shí)的方向圖和軸比仿真結(jié)果

圖6是X型縫隙22單元線陣列圓極化天線的S參數(shù)仿真結(jié)果。從圖中可以看出，S₁₁和S₂₁在15GHz~ 17GHz頻帶內(nèi)都很小，所以絕大多數(shù)能量被輻射出去。

圖6 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證該22單元圓極化天線的正確性，利用標(biāo)準(zhǔn)的PCB制造工藝，在厚度為1.5748mm的Rogers 5880介質(zhì)基片上（ε_r= 2.2，tanδ=0.0009）制作了該天線的實(shí)物，PCB大小為277mm×23.5mm，圖7是制作好的天線的實(shí)物照片。圖8是天線的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果。由于同軸和SIW的轉(zhuǎn)接器會(huì)帶來一定的反射，所以測(cè)量的S₁₁與仿真結(jié)果相比要差一點(diǎn)，S₂₁與仿真結(jié)果相近。由于S₁₁的惡化和SIW的各種損耗要大于等效波導(dǎo)，因此S₂₁的值比仿真結(jié)果要低2dB~3dB左右。

圖7 天線實(shí)物照片

圖8 天線S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖9是22單元圓極化天線方向圖的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出天線的旁瓣電平在15GHz、16GHz、17GHz均低于-10dB。由于該陣列是行波式陣列，故主瓣會(huì)隨著頻率的變化而搖頭。在17 GHz頻點(diǎn)上，主瓣方向偏離陣列法線方向8.7°，在16GHz上偏離法向22.1°，15GHz時(shí)為37.1°。圖10顯示的是主瓣偏離天線法向角度與頻率的關(guān)系。15.2GHz~16.8GHz的主瓣方向軸比均低于3dB。該天線的主瓣方向隨頻率的變化較多，同時(shí)在主瓣方向的軸比基本保持不變，可以實(shí)現(xiàn)頻率掃描。天線增益經(jīng)過實(shí)測(cè)，在15.4GHz~16.6GHz范圍內(nèi)增益波動(dòng)小于3dB，在16GHz頻段上的增益約為16dB。

圖9 方向圖測(cè)試結(jié)果

圖10 天線主瓣方向軸比與頻率關(guān)系

5 結(jié)論

本文利用SIW技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一種行波式圓極化天線。通過測(cè)量可以看出這種圓極化天線的工作頻率較寬（15.2~16.8 GHz，10%帶寬），主瓣方向的軸比隨頻率的變化不明顯，同時(shí)在一定的頻率范圍內(nèi)，該天線的主瓣具有較大的掃描角度（30°）。該天線的2個(gè)端口對(duì)應(yīng)著不同的圓極化方向以及不同的主波束指向，可以作極化分集，具有比較高的使用價(jià)值。同時(shí)其制造成本也較低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。