基于孔徑耦合的毫米波寬帶圓極化陣列天線

張曉玲，徐淵源，王 震，符曉天

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來，對毫米波天線技術的研究引起了越來越多的關注。毫米波應用具有工作帶寬寬、一定口徑下波束寬度窄、分辨率高、傳播受氣候影響小、更容易小型化等優點[1]。但是毫米波在大氣傳輸中存在嚴重衰減[2]，為了補償該衰減，通常應用于毫米波的天線為具有高增益特性的陣列天線；另一方面，針對毫米波研究表明，相比線極化形式，圓極化形式能夠提供更有競爭力的信道特性及抗干擾能力[3]。因此，具有圓極化特性的陣列天線是毫米波天線的優選形式。

在毫米波陣列天線設計中，單元天線形式的選取至關重要：一方面單元天線特性是陣列特性的一個決定性因素；另一方面，單元天線的結構形式直接影響陣列天線的可集成度、結構復雜度等特性。對于毫米波陣列天線，常見文獻中廣泛應用的單元天線形式有：微帶貼片天線[4]、腔體天線[5]、縫隙天線[6-8]等等。這些天線具有平面結構且較易實現陣列排布，但其3 dB軸比帶寬大多較窄不超過10%，直接影響毫米波的寬帶應用。其他文獻中介紹了軸比帶寬較寬的天線形式[9-11]，但這些天線電尺寸通常都大于一個波長，即不適合應用于陣列排布。本文針對此問題，提出了基于孔徑耦合的毫米波寬帶圓極化陣列天線。

1 寬帶圓極化陣列天線簡述

1.1 天線帶寬

天線帶寬通常有兩種表示方法，一種稱為“相對帶寬”，其定義為天線的絕對帶寬2Δf與工作頻帶內中心頻率fc之比，即：

(1)

式(1)中，fh和fl分別表示工作頻帶的上限頻率和下限頻率，fc為工作頻帶的中心頻率。天線帶寬又具體分為阻抗帶寬、極化帶寬、增益帶寬及方向圖帶寬等，通常情況認為，天線帶寬大于10%即為寬帶天線。

1.2 圓極化天線

根據天線輻射的電磁波是線極化或圓極化，相應的天線稱為線極化天線或圓極化天線。

圓極化天線的極化波參數就是它所輻射的電磁波的軸比AR(axial ratio)，即為圓極化波的長軸和短軸之比，用r表示，換算為dB表示的軸比為AR=20lg(r),當r=1或AR=0 dB時，即為純正的圓極化；當r=∞或AR=∞ dB時，即為純正的線極化。一般，軸比不大于3 dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬。圓極化天線增益單位一般采用dBic表示，是指與標準圓極化等向性點源天線對比所得增益。

1.3 陣列天線排布

陣列天線的性能與單元天線、單元天線間距、單元數目和排布形式相關。其中，天線單元間距是根據避免出現柵板的條件確定的。陣列天線不出現柵板的單元間距條件是[12]：

(2)

式(2)中，θ0為陣列掃描角度。對于邊射陣，單元間距要求小于波長λ。

2 基于孔徑耦合的寬帶圓極化陣列天線

2.1 基于孔徑耦合的寬帶圓極化天線單元

為了實現寬帶圓極化，本文將孔徑耦合應用到磁電偶極子天線中，兼顧二者優勢。利用SIW饋電的孔徑耦合的磁電偶極子天線單元詳細結構如圖1所示。下層基板為饋電結構，上層基板為天線輻射結構。

圖1 單元天線結構尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of unit antenna structure size

SIW中縫隙只能激勵與其垂直的電偶極子和與其平行的磁偶極子，實現線極化工作,而形成圓極化輻射需要給兩個正交模式等幅度90°相差饋電，為實現圓極化輻射，在本設計中引入金屬條帶連接兩個對角線位置的平面貼片，同時將另一對角平面貼片的內角剪切，以此實現將SIW縫隙饋電的部分能量耦合到磁電偶極子天線的正交方向上，配合調整平面貼片、金屬條帶及貼片間縫隙的尺寸可實現圓極化輻射。

天線具體尺寸為：L1=4.8 mm，L2=2.0 mm，L3=0.7 mm，W1=4.8 mm，W2=3.1 mm，W3=0.2 mm，D1=0.3 mm，H1=H2=0.762 mm，L4=2.2 mm，L5=1.02 mm，L6=0.93 mm，K1=K2=1.0 mm，S1=S2=0.15 mm，P1=0.28 mm，L7=0.4 mm。

2.2 基于孔徑耦合的寬帶圓極化陣列天線

為實現寬帶高增益圓極化陣列天線，在孔徑耦合磁電偶極子圓極化天線單元基礎上，設計了一種8×8圓極化天線陣列，結構如圖2所示。

圖2 陣列天線結構示意圖Fig.2 Structure diagram of array antenna

陣列天線由三層介電常數為2.2，厚度為0.762 mm的介質板組成。輻射單元設計在介質板1中，介質板1的下層和介質板2的上層均設計有縫隙，用以激勵每個輻射單元。受限于SIW的寬度，將饋電網絡分解為兩個部分，分別設計在介質板2和介質板3上。用于輻射單元饋電的末端短路的SIW部分設計在介質板2中，四個相鄰的SIW部分組成一個2×2子陣饋電網絡，剩余的一分16端口SIW饋電網絡設計在介質板3中，16個輸出端口分別給16個2×2子陣等幅饋電。圖3所示為陣列天線2×2子陣的具體結構形式及饋電網絡圖。縫隙B設計在介質板2的下層及介質板3的上層，用于兩層之間的能量耦合。2×2子陣為“H形”饋電網絡，可以實現在較寬的工作帶寬內將縫隙B輸入的能量等幅同相輸出四個部分到縫隙A。最終通過一分16的并饋SIW網絡完成對整個陣面的饋電，并饋網絡在寬帶范圍內特性穩定，有效避免了色散效應。在陣列設計中將輻射單元的尺寸進行了微調優化，以獲得陣面更好的阻抗及輻射特性。

圖3 2×2子陣結構及饋電網絡Fig.3 Structure of 2×2 subarray and feeding network

3 仿真與測試驗證

3.1 圓極化天線單元電流電場分布仿真

天線單元表面電流分布和縫隙上的電場分布情況仿真結果如圖4所示，驗證了孔徑耦合磁電偶極子天線的工作機制。假設T為工作頻率對應的一個周期，在時間t=0和T/2時，貼片中大面積電流沿y方向，表示沿y方向的電偶極子被激勵；同時，貼片間縫隙上的電場主要集中在y方向，表示沿x方向的等效磁偶極子同時被激勵。同樣，在時間t=T/4和3T/4時，表示沿x方向的電偶極子和沿y方向的等效磁偶極子被激勵。

圖4 單元天線表面一個周期內電流及電場分布示意圖Fig.4 Distribution diagram of current and electric field in one period on the surface of unit antenna

綜上分析，沿y方向的等效磁偶極子和沿x方向的電偶極子產生xOz方向的線極化輻射，同時沿x方向的等效磁偶極子和沿y方向的電偶極子產生yOz方向的線極化輻射。這兩種正交極化間的激勵存在T/4時間延遲，即相差90°，同時兩種正交極化的幅度基本一致，因此實現了圓極化輻射。

3.2 實物測試驗證

在全波電磁仿真軟件Ansoft HFSS中對天線進行仿真分析，通過優化天線參數最終實現設計要求。依據設計制作出天線實物，如圖5所示。

圖5 陣列天線加工實物圖Fig.5 Photographs of the fabricated array antenna

天線駐波比測試和仿真對比結果如圖6所示。由于裝配工藝的影響，天線駐波比結果有略微差異，但大體上基本保持一致，天線駐波比小于2的帶寬大于23.3%(52.8～67.2 GHz)。天線在工作頻帶內軸比特性的實測和仿真對比結果如圖7所示，實測和仿真基本保持一致，實測天線軸比小于3 dB的帶寬大于20.2%(54.1～66.3 GHz)。天線增益的實測和仿真對比結果如圖8所示，天線實測增益大于25.2 dBic，基本達到仿真預期。通過對比天線實測增益和仿真方向性系數，得到天線輻射效率在工作頻率60 GHz處大于71.5%，主要的損耗來自SIW的多級饋電網絡。

圖6 天線駐波比仿真及測試對比結果Fig.6 Simulation and measured VSWR comparison of the antenna

圖7 天線軸比仿真及測試對比結果Fig.7 Simulation and measured axial ratio comparison of the antenna

圖8 天線增益仿真及測試對比結果Fig.8 Simulation and measured gain comparison of the antenna

圖9—圖11為天線在55、60、65 GHz處兩個面的方向圖實測結果。由圖可見天線實測方向圖特性與仿真結果非常吻合，方向圖對稱性良好，有較好的單向輻射特性。

圖9 天線55 GHz主極化與交叉極化實測方向圖Fig.9 Measured main pdarization and cross polarization radiation pattern of the antenna at 55 GHz

圖10 天線60 GHz主極化與交叉極化實測方向圖Fig.10 Measured main pdarization and cross polarization radiation pattern of the antenna at 60 GHz

圖11 天線65 GHz主極化與交叉極化實測方向圖Fig.11 Measured main pdarization and cross polarization radiation pattern of the antenna at 65 GHz

4 結論

本文提出了基于孔徑耦合的毫米波寬帶圓極化陣列天線。該天線使用基于孔徑耦合的磁電偶極子寬帶圓極化天線作為天線單元，天線單元由四個水平方向的貼片和四個垂直方向的金屬通孔組成，通過引入額外的金屬條連接對角位置的兩個貼片同時將另一對貼片內角剪切，將圓極化帶寬提升到20%以上。天線單元的饋電通過在末端短路的基片集成波導(SIW)寬邊上開橫向槽耦合實現。在此基礎上利用SIW制作饋電網絡，實現毫米波8×8高增益寬帶圓極化陣列天線的設計。天線實測結果表明，該陣列天線能夠在52.8～67.2 GHz實現VSWR<2 (相對帶寬為23.3%)，3 dB軸比帶寬達到20.2%，天線增益大于25.2 dBic，輻射效率超過71.5%，是一種較優的毫米波寬帶圓極化陣列形式。