基片集成波導(dǎo)混合功率分配器饋電對數(shù)周期天線

余 晨 洪 偉 翟國華 蒯振起

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210096)

1.引 言

寬帶無線通信系統(tǒng)的研究受到越來越多研究者的關(guān)注,而寬帶天線是其關(guān)鍵技術(shù)之一。寬帶天線普遍存在增益較低的問題。很多工程應(yīng)用中,單個(gè)天線可能不滿足要求,可以通過構(gòu)造天線陣列來增加增益。

對數(shù)周期天線具有寬頻帶特性,早在20世紀(jì)60年代,人們就對自由空間中的對數(shù)偶極子陣列(LPDA)[1]天線性能進(jìn)行了充分地研究和分析,并得到了廣泛的應(yīng)用。隨著平面集成電路的發(fā)展,重量輕、低成本、低剖面的印刷平面對數(shù)周期陣列(PLPDA)成為新的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[2-4]。最近,文獻(xiàn)[5]基于半模基片集成波導(dǎo)(HMSIW)饋電成功實(shí)現(xiàn)了高頻段特別是毫米波頻段的印刷平面對數(shù)周期天線。

單個(gè)印刷平面對數(shù)周期天線波束寬度較寬,增益較低。文章在此基礎(chǔ)上采用E/H面混合SIW功率分配器設(shè)計(jì)和研制了2×4印刷對數(shù)周期天線陣列,以進(jìn)一步提高增益。

基片集成波導(dǎo)(SIW)作為一種平面導(dǎo)波技術(shù)[6-9]得到了越來越廣泛的運(yùn)用。SIW具有低成本、低剖面、重量輕、易集成、易制作的特點(diǎn)。很多研究結(jié)果展示了基于SIW結(jié)構(gòu)的功率分配器研究成果[10-14]。文章設(shè)計(jì)了一個(gè)基于雙層E面兩路SIW功率分配器和H面四路SIW功率分配器的混合功率分配饋電網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而研制了2×4印刷對數(shù)周期天線陣列。

文章首先設(shè)計(jì)了一個(gè)1×4印刷對數(shù)周期天線陣列,其實(shí)測工作頻段為10.6～19.5 GHz,增益要比同尺寸的單個(gè)印刷對數(shù)周期天線高4～6 dB.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的2×4印刷對數(shù)周期天線陣列的實(shí)測工作頻帶為11.2～16.7 GHz,其增益比同尺寸的單個(gè)印刷平面對數(shù)周期天線高7～9 dB.

2.天線陣列的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

印刷平面對數(shù)周期天線是一個(gè)由多個(gè)偶極子組成的陣列天線,每個(gè)偶極子有它自己的諧振頻率。偶極子單元對稱地印刷在介質(zhì)的上下表面。單個(gè)平面對數(shù)周期天線有三個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù):偶極子的個(gè)數(shù),每個(gè)偶極子的長度和相鄰偶極子的間距。偶極子長度與相鄰偶極子間距的變化規(guī)律應(yīng)遵循對數(shù)規(guī)律。每個(gè)偶極子有自己的工作頻帶,多個(gè)偶極子工作頻帶疊加形成了平面對數(shù)周期天線的寬帶特性。天線單元的參數(shù)可以根據(jù)Carrel方法來確定[1],其中最長的偶極子對應(yīng)的工作頻率為天線的起始工作頻率,其長度大約為起始工作頻率對應(yīng)波長的1/2。

如圖1所示,文章中設(shè)計(jì)的平面對數(shù)周期天線的偶極子個(gè)數(shù)為5,其工作頻帶為10～23 GHz,天線幾何尺寸參數(shù)見表1,其中:Ln代表第n個(gè)偶極子的半長度;Sn代表第n和第n+1個(gè)偶極子之間的間距;W是偶極子的寬度。

表1 單個(gè)對數(shù)周期天線幾何尺寸

圖1 單個(gè)印刷對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)圖

文章中設(shè)計(jì)的H面SIW平面四路功率分配器與以前所報(bào)導(dǎo)的有一點(diǎn)不同,這里采用圓弧型拐角線代替直角拐角線。圓弧型拐角線不需要直角拐角線中的金屬反射柱,略去了對金屬反射柱的位置和尺寸的調(diào)節(jié),簡化了設(shè)計(jì)步驟。同時(shí)帶圓弧型拐角線的功率分配器進(jìn)一步優(yōu)化功率分配器的阻抗帶寬,如圖2所示。圖2描述了帶圓弧型拐角線和直角拐角線的H面SIW平面四路功率分配器阻抗帶寬的最優(yōu)化仿真結(jié)果。SIW的工作頻段主要由兩排金屬化通孔的間距決定,本設(shè)計(jì)中SIW傳輸線的兩排金屬化通孔的間距SIW_W為10.5 mm.

圖2 圓弧拐角和直角拐角的SIW功率分配器仿真|S11|

文章設(shè)計(jì)了一個(gè)雙層SIW E面功率分配器為2×4印刷對數(shù)周期天線陣列饋電。將兩個(gè)厚度同為0.508 mm的介質(zhì)板緊密地壓在一起,來構(gòu)造一個(gè)雙層的E面SIW功率分配器。在E面SIW功率分配器的前端,兩層介質(zhì)間沒有金屬,兩層介質(zhì)相疊加形成了一段厚度為1.016 mm的SIW傳輸線。然后在兩層介質(zhì)間插入金屬層,把第一段SIW傳輸線中TE10模的功率垂直地分配到上下兩層介質(zhì)中,上下兩層介質(zhì)各自形成一段SIW傳輸線,這兩個(gè)SIW傳輸線的厚度與寬度都一樣。將兩層間的金屬設(shè)計(jì)成為劈尖形狀,以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。SIW傳輸線的工作帶寬主要由線寬決定,這里E面SIW功率分配器中三段SIW傳輸線的寬度相同,高度分別為1.016 mm 、0.508 mm 、0.508 mm,因此,它們的工作帶寬是一致的。E面SIW功率分配器結(jié)合H面SIW四路功率分配器為2×4印刷對數(shù)周期天線陣列饋電。雙層SIW E面功率分配器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,基于CST進(jìn)行了仿真優(yōu)化。

圖3 雙層E面SIW功率分配器的結(jié)構(gòu)圖

3.天線陣列的仿真和測試結(jié)果

天線陣列采用標(biāo)準(zhǔn)的 PCB工藝制作,使用Rogers 5880介質(zhì)板材,其介電常數(shù)為2.2,厚度為0.508 mm.1×4和2×4兩個(gè)天線陣列的實(shí)物圖分別見圖4和圖5。圖4展示的是1×4印刷對數(shù)周期天線陣列的表層和底層,圖5展示的是2×4印刷對數(shù)周期天線陣列的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu),包括E面SIW功率分配器。圖6分別給出了1×4和2×4兩個(gè)天線陣列反射系數(shù)|S11|的仿真和測試的結(jié)果,其中1×4印刷對數(shù)周期天線陣列|S11|的測量結(jié)果和仿真結(jié)果基本相似,它在10.5 GHz到19.5 GHz頻率范圍內(nèi),反射系數(shù)|S11|小于-10d B.2×4印刷對數(shù)周期天線陣列的測量結(jié)果顯示:它在11.2 GHz到16.7 GHz頻率范圍內(nèi),反射系數(shù)|S11|小于-10 d B.

1×4和2×4兩個(gè)天線陣列在12 GHz、13 GHz、15 GHz和16 GHz上的實(shí)測方向圖如圖7所示。可以看到,1×4和2×4印刷對數(shù)周期天線陣列在這幾個(gè)頻點(diǎn)上的輻射方向圖非常相似,表明了這種天線的方向圖寬帶特性。1×4和2×4印刷對數(shù)周期天線陣列的E面方向圖波束寬度相近,但是2×4印刷對數(shù)周期天線陣列H面方向圖的波束寬度窄了很多,這和理論結(jié)果相符。兩個(gè)天線陣列的3 dB波束寬度如圖8所示。

圖9給出了這兩個(gè)天線陣列的增益測試結(jié)果,在11 GHz到17 GHz的頻率范圍內(nèi),2×4印刷對數(shù)周期天線陣列的增益比1×4印刷對數(shù)周期天線陣列的增益約高1～3 d B.并且天線陣列的最大增益出現(xiàn)在θ=0°,顯示了其良好的端射天線性能。

4.結(jié) 論

文章中提出用E面SIW功率分配器結(jié)合H面SIW多路功率分配器為印刷對數(shù)周期天線陣列的饋電方法,進(jìn)而設(shè)計(jì)研制了2×4印刷對數(shù)周期陣列天線,并給出了仿真和測量結(jié)果。結(jié)果表明:這種天線陣列同時(shí)具有阻抗帶寬和方向圖帶寬的寬帶特性。

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