一種圓極化透鏡天線

王凱旭 黃衡

(1. 香港城市大學電子工程系 國家毫米波重點實驗室,香港 999077;2. 香港城市大學深圳研究院,深圳 518057)

引 言

毫米波通信具有很寬的可用帶寬(57～64 GHz),能夠滿足日益增長的高速無線通信的要求, 因此,近年來受到越來越多的關注．在毫米波無線通信系統中,天線扮演著關鍵的技術． 首先,毫米波天線必須具有比較寬的帶寬,才能覆蓋所需的工作頻段．其次,由于毫米波通信過程中有比較高的損耗,因此要求毫米波天線具有比較高的增益,才能實現比較遠距離的通信．

傳統的毫米波高增益天線多采用天線陣列來實現,通過增加天線振子的數量來實現比較高的增益[1-4]．這種方式雖能夠有效增加天線的增益,但是需要外加一套饋電網絡給每個振子分別饋電．隨著天線振子數量的增加,饋電網絡也會變得復雜而龐大,更為重要的是,此時饋電網絡的插入損耗也會隨著增加,這樣反而會降低天線的增益．

除了天線陣列,在天線的前方增加一個透鏡也是提高天線增益的有效方法[5-9]．由于透鏡具有體積大的缺點,因此該方法在低頻段比較少被采用．但是對于毫米波無線通信,由于工作頻率在60 GHz, 工作波長很短,此時透鏡的體積就可以大大減少,所以透鏡天線在毫米波通信系統中被廣泛采用．傳統的透鏡只能提高天線增益的能力,卻不能起到實現圓極化的功能．為了實現圓極化,一般需要采用在底下添加一個圓極化天線源的方式．

本文提出了一款新型的毫米波透鏡天線,該透鏡天線將極化器與傳統的擴展半球介質透鏡有效融合在一起,通過一個器件,同時實現透鏡與極化器的功能,不僅能有效提高天線的增益,還能將線極化入射波轉化為圓極化．

1 天線結構與設計

圖1展示了天線的結構圖,該天線在傳統的擴展半球介質透鏡上每隔相同的距離挖出一段長方形的槽.它也可以看成是由頂部的半球透鏡以及下邊的圓柱形極化器組合而成．該天線的饋源位于透鏡的下方,與透鏡的距離為g,g的大小會影響天線的增益．此外,為了實現圓極化,饋源部分的線極化方向需要與長方形槽保持45°．整個天線采用3D打印技術加工而成, 3D 打印材料的介電常數是2.9, 損耗角正切是0.01．

圖1 天線結構圖Fig.1 Configuration of the proposed antenna

1.1 圓極化的實現

圖2給出了極化器結構的單元,極化器可以看成由很多個單元組成．從圖2可以看到,每個單元由一片介質和一片空氣組成,這種結構在x方向和y方向具有不同的介電常數εx和εy,其表達式為:

(1)

εy=ε0+ε0(εr-1)r．

(2)

式中,r=w2/(2w1+w2)．

圖2 極化器的單元結構圖Fig.2 Schematic model of polarizer unit

圖3和圖4分別展示了εx和εy的數值計算和仿真結果．其中虛線為數值計算的曲線,實線為軟件HFSS的仿真結果．從圖中可以看出,仿真結果與數值計算結果很吻合．此外,也可以看出εx小于εy,即具有x極化方向的電磁波在介質中的傳播速度要比y極化方向的電磁波的傳播速度快．于是,它們穿過極化器的時候具有不同的相移特性,通過調節極化器的厚度,使得它們的相位差為90°,于是便可產生圓極化特性．

圖3 有效介電常數εx隨不同填充比r 的變化規律Fig.3 Simulation and calculation effective dielectric constants εx versus different ratios r for different εr

圖4 有效介電常數εy隨不同填充比r 的變化規律Fig.4 Simulation and calculation effective dielectric constants εy versus different ratios r for different εr

1.2 焦點的位置

電磁波穿過傳統的擴展半球形介質透鏡的光路徑如圖5(a)所示,電磁波從焦點出發,在透鏡表面發生折射,近光軸的電磁波經過折射后傳播方向接近平行于z方向,從而提高天線的增益．而對于文中提出的圓極化透鏡天線,電磁波穿越透鏡時,發生了兩次折射作用,第一次折射發生在極化器與半球透鏡的交界處;第二次折射發生在透鏡球面上．根據折射定律,可以得出

sinφe/sinφr=n/ne.

(3)

式中,n和ne分別是半球透鏡和極化器的有效介電常數．由于極化器中有一部分是空氣,故n>ne,因此φe>φr,h1>h2. 從以上的分析可以看出,當在透鏡的擴展部分挖出一些長方形槽時,不僅能實現圓極化特性,還能通過折射作用減小透鏡的焦點距離,從而有效地減小透鏡的體積、插入損耗,以及加工成本．

(a) 傳統透鏡(a) Traditional lens

(b) 圓極化透鏡(b) Circular polarizing lens圖5 電磁波在透鏡中的傳播路徑圖Fig.5 The path of the waves pass through the lens

2 天線的加工與測試

為了驗證我們的分析,我們對該天線進行仿真與測試,通過優化之后,天線的具體參數如下:h=6.5 mm,R=10 mm,g=0.7 mm,w1=0.5 mm,w2=1 mm．然后采用3D 打印機對優化后的天線進行加工,加工之后的天線實物圖如圖6所示．天線的饋源我們采用WR15的開口波導,通過開口波導產生線極化輻射波．

圖6 加工之后的圓極化透鏡以及天線饋源Fig.6 Prototype of the CP lens and the antenna source

在天線回波特性的測試中,我們采用了安捷倫的網絡分析儀E8361A進行試驗測試;而對于天線遠場特性(例如增益,軸比,方向圖等)的測試則是采用NSI 2000 系統進行測試,由于試驗儀器的限制,測試的頻段只從50 GHz 到 67 GHz.

圖7展示了天線仿真與測試的匹配特性,可以看出仿真的阻抗帶寬(小于-10 dB)從51 GHz 到75 GHz,測試的范圍從51 GHz 到67 GHz．天線的阻抗帶寬主要由饋源天線決定．圖8展示了天線的軸比和增益特性,由圖8可以看出:天線仿真的圓極化帶寬(AR<3 dB)從50 GHz 到72 GHz,實測結果從 50 GHz 到67 GHz;天線的寬帶圓極化特性主要是由極化器結構決定的;天線仿真的最大增益可以達到22 dBic,實測的增益可以達到21 dBic,增益的大小主要由半球透鏡的半徑決定,并且也受饋源位置的影響．圖9比較了天線的方向性和增益,方向性比增益平均高了1.2 dB, 通過計算,可以看出天線的效率約為78%．在這個結構中,天線的損耗主要來源于3D 打印材料的損耗,由于我們采用的3D打印材料比較大,所以導致天線的損耗比較大,從而效率比較低．為了提高天線的效率,可以通過采用低損耗的3D打印材料來解決．圖10 比較了在50 GHz 和 60 GHz(φ=±45°)的方向圖,可以看出,仿真和測試的方向圖比較接近．而且在其中一個面的旁瓣比較大(約為-12 dB),這是由天線源的表面波導致的,可以通過減小表面波的方式來減小方向圖的旁瓣．

圖7 天線的回波特性Fig.7 Reflection coefficient

圖8 軸比和增益Fig.8 Axial ratio and gain

圖9 方向性與增益Fig.9 Directivity and gain

(a) 50 GHz

(b) 60 GHz

圖10 電磁波在透鏡中的傳播路徑圖Fig.10 The path of the waves pass through the lens

3 結 論

本文提出了一款新型的圓極化透鏡天線,通過在傳統的擴展半球介質透鏡開槽的方式,能夠將傳統的透鏡改造成具有圓極化功能的透鏡天線．與之前的圓極化透鏡相比,這種結構能夠在實現高增益的同時,達到比較寬的軸比帶寬．并且具有比較小的體積,能夠減小插入損耗．此外,使用3D打印技術進行加工,能夠將該設計應用于毫米波通信頻段．由于材料的損耗比較大,該結構的增益很難進一步提高,下一步的工作可以通過采用薄透鏡的方式來減小介質損耗,從而有效提高天線的增益．