基于SIW的雙頻圓極化天線設計*

周伯樂 ，陳 暉 ，張 云

（1.軍委訓練管理部軍事體育訓練中心，江蘇 南京 210007；2.陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；3. 東部戰區 聯合訓練和評估保障中心，江蘇 南京 210000）

0 引 言

近些年來，無線通信技術飛速發展，蜂窩電話、全球定位系統（GPS）、合成孔徑雷達（SAR）、衛星通信、個人通信等領域都需要重量輕、剖面低、制造簡單、易共形的寬頻帶或雙頻段天線[1］。

為了能夠使天線雙頻工作,通常可以通過以下幾種方法實現：①層疊貼片；②共面貼片；③模式正交；④集總元件加載（包括短路針、縫隙等）；⑤加載人工電磁結構。文獻[2-3］中提出了一種新穎的圓極化微帶天線的設計方法，即通過將印刷磁偶極子與一個環形結構或者一個電偶極子組合實現。盡管該方法能夠實現圓極化端射輻射特性，但是存在著顯著的缺陷，如帶寬窄、饋電方式受限以及不易組陣等。

為此，本節提出了一種基于SIW加載技術的圓極化雙頻天線。通過在微帶貼片頂端的偶極子側面另加載一對形狀不同的偶極子實現雙頻特性；通過SIW口徑與印刷電偶極子為兩種正交的場分量提供90°的相位差，實現圓極化特性。該天線兩個頻段的阻抗帶寬分別達到46%與27%，軸比帶寬分別為3.3%與10.9%，最大增益分別達到5.8 dBi與9.3 dBi。該天線有較好的圓極化特性，剖面較低，制作簡單，成本較低，在無線通信系統中具有重要的應用價值。

1 天線的結構和分析

天線單元結構如圖1所示，該天線介質基板的介電常數為2.2、厚度為2 mm。天線共有兩排金屬化過孔，過孔的直徑為d，過孔之間的距離為p，兩排過孔的距離為w。

圖1 寬圓極化天線結構

天線在遠場的輻射主要由SIW口徑以及印刷電偶極子產生。SIW口徑能夠產生主要沿z軸方向的電場分量而電偶極子產生主要沿x軸方向的電場分量，兩種電場模式相互正交。SIW口徑與印刷電偶極子之間間距為d3，它能夠為兩種正交的場分量提供90°的相位差。至此，實現圓極化端射輻射的必要條件都已經滿足。

天線的圓極化性能主要取決于電偶極子的長度l2以及SIW口徑與電偶極子的間距d1。首先電偶極子的長度應設定為λ0/2，其中λ0為自由空間波長。下面確定間距的初始值。一方面，由于空間位置的不同，在y軸方向上，SIW口徑滯后于電偶極子的相位為：

同時，由于饋電的先后順序，電偶極子滯后于SIW口徑的相位為：

其中，λg為波導波長。因此，為實現圓極化端射特性，需滿足：

求解得：

依據上述公式，能夠基本確定天線的工作頻率，圖2、圖3進一步給出了上述d1、l1對天線性能的影響規律。兩參數均對天線的阻抗帶寬存在較大影響。

圖2 回波損耗隨長度d1的變化曲線

圖3 回波損耗隨長度l1的變化曲線

當基本確定上述兩個主要參數后，已經滿足實現圓極化輻射的必要條件。然而SIW開路輻射器通常帶寬非常窄且輻射特性差。因此，當電偶極子直接與SIW口徑相連時，圓極化單元的帶寬非常窄，如圖1所示。當在SIW口徑與電偶極子之間引入一個三角形的巴倫結構時，SIW的有效口徑得到擴展，因此天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都能顯著展寬。該天線結構采用HFSS軟件進行仿真，并進行相關參數分析。巴倫長度w2對天線阻抗帶寬的影響如圖4所示。

圖4 回波損耗隨長度w2的變化曲線

2 優化結果

通過使用電磁仿真軟件HFSS進行參數優化，最終的參數為：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。天線的回波損耗曲線如圖5所示，該天線兩個頻段的阻抗帶寬分別達到46%與27%。

圖5 回波損耗曲線

軸比曲線如圖6所示，可以看出，天線在18 GHz以及26 GHz附近同時實現了圓極化，軸比帶寬分別為3.3%與10.9%。天線增益曲線如圖7所示，最大增益分別達到5.8 dBi與9.3 dBi。天線在18 GH以及26 GHz處的遠區輻射方向圖如圖8所示，從圖中可以看出，天線實現了良好的端射輻射，同時在兩個頻率處實現了左旋圓極化，且在端射方向上的交叉極化電平均大于20 dB。天線在18 GHz處的后向輻射較大，從而降低了天線增益；而在26 GHz處的后向輻射較小，天線增益較大。

圖6 軸比曲線

圖7 增益曲線

圖8 天線遠區輻射方向圖

3 結 語

本章提出了一款基于SIW加載技術的雙頻圓極化天線。該天線兩個頻段的阻抗帶寬分別達到46%與27%，軸比帶寬分別為3.3%與10.9%，最大增益分別達到5.8 dBi與9.3 dBi。由于該天線有較好的端射特性，增益較高，制作簡單且成本較低，可廣泛應用于各類通信系統。