W波段雙圓極化天線研究與設(shè)計(jì)

修韜，詹學(xué)豐，姜航，程瀟鶴，姚遠(yuǎn)

（1.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈爆炸式增長(zhǎng)，已經(jīng)全面商用的第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）及初步商用的第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）難以滿足未來(lái)的現(xiàn)實(shí)需求。毫米波（30—300 GHz）技術(shù)由于其具有豐富的頻譜資源，是實(shí)現(xiàn)超高速無(wú)線通信及基站無(wú)線回傳的重要手段，其中的毫米波天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要器件，也成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[1-3]。

與單極化天線相比[4-5]，雙極化天線由于其具有空間分集特性，可以進(jìn)一步增加通信系統(tǒng)容量。同時(shí)，圓極化天線可以大大提升天線的定向穩(wěn)定性和靈活性，且不會(huì)因極化失配而造成性能損失，在未來(lái)的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)中具有更廣闊的應(yīng)用前景[6-11]。文獻(xiàn)[6-8]中利用微帶或SIW結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓極化，但存在一定的介質(zhì)損耗，較難應(yīng)用于高頻毫米波的天線和饋源系統(tǒng)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[9-10]中將超材料表面插入喇叭天線中實(shí)現(xiàn)圓極化特性，但加工難度和成本較高；文獻(xiàn)[11]介紹的雙極化天線工作頻段較低且無(wú)加工測(cè)試結(jié)果。本文介紹了一種基于隔板極化器和喇叭天線的W波段雙圓極化天線，具有小型化、寬帶、雙圓極化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)引入電磁帶隙結(jié)構(gòu)有效減小了裝配誤差對(duì)天線性能的影響。通過(guò)仿真和加工實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的有效性，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度高，具有良好的電氣性能。

1 所設(shè)計(jì)的圓極化天線原理與結(jié)構(gòu)

1.1 隔板極化器原理與設(shè)計(jì)

極化器是天線實(shí)現(xiàn)圓極化的關(guān)鍵器件，其中隔板極化器由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工等特性被廣泛應(yīng)用于圓極化天線的設(shè)計(jì)中[12-14]。隔板極化器主要由方波導(dǎo)和位于方波導(dǎo)中間位置的漸變金屬隔板組成，如圖1所示，其矩形波導(dǎo)輸入端口為Port1和Port2，公共端口為Port3。

圖1 隔板極化器結(jié)構(gòu)示意圖

利用波導(dǎo)中的電磁傳播模式進(jìn)行分析，如圖2所示，當(dāng)端口Port1和Port2進(jìn)行等幅反相激勵(lì)時(shí)（即相位差為180°），則Port3輸出電場(chǎng)方向與輸入電場(chǎng)垂直；當(dāng)端口Port1和Port2進(jìn)行等幅同相激勵(lì)時(shí)（即相位差為0°），則Port3的電場(chǎng)方向和激勵(lì)電場(chǎng)方向一致。

圖2 不同相位激勵(lì)下的三個(gè)截面電場(chǎng)分布圖

根據(jù)矢量疊加原理，當(dāng)Ⅰ和Ⅱ或Ⅰ和Ⅲ共同激勵(lì)時(shí)，即可以抵消一個(gè)端口的輸入，此時(shí)方波導(dǎo)中會(huì)同時(shí)存在橫向和縱向兩個(gè)正交的電磁場(chǎng)，即滿足了圓極化波所需要的兩個(gè)空間上正交的線極化波的條件。

由于所激勵(lì)的橫向電磁場(chǎng)和縱向電磁場(chǎng)具有不同的相位，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)漸變隔板尺寸使兩路信號(hào)具有90°的相位差，從而滿足形成圓極化波的相位正交條件。利用HFSS仿真優(yōu)化，得出最終的隔板尺寸，如表1所示：

表1 極化器參數(shù)尺寸（單位：mm）

隔板極化器仿真性能如圖3所示，兩個(gè)端口的反射系數(shù)在全頻帶均小于-17 dB，具有良好的匹配性能。端口傳輸系數(shù)S21和S12均小于-17.5 dB，具有良好的隔離性能。

圖3 極化器仿真結(jié)果

1.2 極化器與天線連接設(shè)計(jì)

由于毫米波圓極化天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在加工過(guò)程中需將極化器與天線進(jìn)行分塊處理，在連接處可能存在微小縫隙，影響天線整體性能。因此，本設(shè)計(jì)充分考慮毫米波圓極化天線加工難題，引入了電磁帶隙結(jié)構(gòu)減小連接處對(duì)天線性能的影響。典型電磁帶隙結(jié)構(gòu)由兩塊金屬板和周期性結(jié)構(gòu)單元組成，如圖4所示。該周期性銷釘結(jié)構(gòu)與頂層金屬板之間可以存在一定的空氣間隙，當(dāng)空氣間隙尺寸小于四分之一波長(zhǎng)時(shí)，可等效為人工磁導(dǎo)體，電磁波無(wú)法傳輸；當(dāng)空氣間隙尺寸大于四分之一波長(zhǎng)時(shí)，可等效為理想導(dǎo)體，電磁波可以正常傳輸[15-16]。

基于此原理，利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)在方波導(dǎo)和轉(zhuǎn)接頭之間進(jìn)行連接部分設(shè)計(jì)以解決連接產(chǎn)生的能量泄露問(wèn)題。取金屬釘高h(yuǎn)=0.51 mm，寬s=0.34 mm，周期間隔寬g=0.2 mm，并對(duì)裝配誤差ga進(jìn)行仿真分析，該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的損耗特性與電場(chǎng)分布如圖4所示，其裝配誤差小于80 μm時(shí)，該結(jié)構(gòu)的連接與傳輸損耗均小于0.26 dB，可以有效避免不同塊連接過(guò)程中產(chǎn)生的能量泄露。

圖4 連接結(jié)構(gòu)阻帶特性及電場(chǎng)分布圖

1.3 喇叭天線原理與設(shè)計(jì)

由于喇叭天線具有寬帶、低副瓣、匹配好等優(yōu)點(diǎn)，較為適合應(yīng)用于毫米波天線設(shè)計(jì)中[14-16]。此設(shè)計(jì)采用sin^p型喇叭和線性喇叭級(jí)聯(lián)的形式引入更多的可調(diào)參數(shù)，以便于優(yōu)化喇叭天線的各項(xiàng)指標(biāo)，主要結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖5所示：

圖5 喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖

利用Champ軟件對(duì)喇叭天線模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以主極化與交叉極化電平差最大，且主瓣波束在20°增益衰減12 dB為優(yōu)化目標(biāo)。經(jīng)過(guò)有限次的迭代優(yōu)化，可得到喇叭天線的最終尺寸，如表2所示：

表2 喇叭天線參數(shù)尺寸 mm

所優(yōu)化的喇叭天線與極化器連接后的仿真結(jié)果如圖6～圖8所示，兩個(gè)端口反射系數(shù)均小于-17 dB，且隔離度大于12.5 dB，較單獨(dú)極化器仿真結(jié)果稍有惡化。端口產(chǎn)生的圓極化波的軸比均小于1.1，具有良好的圓極化性能；在97.5 GHz和106.5 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)的方向圖中-12 dB半張角約為20°，且在張角范圍內(nèi)軸比均小于3 dB，吻合優(yōu)化目標(biāo)；主極化增益為19.85±0.45 dBic，交叉極化鑒別度優(yōu)于25 dB，具有良好的增益穩(wěn)定度。

圖6 喇叭天線的S參數(shù)與軸比

圖7 喇叭天線的增益曲線

圖8 喇叭天線左端口（左圖）與右端口（右圖）的歸一化增益和軸比方向圖

2 圓極化天線加工與實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線的性能，對(duì)該天線進(jìn)行了加工和測(cè)試，該天線的結(jié)構(gòu)模型與實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 雙圓極化喇叭天線的模型與加工實(shí)物圖

圖10和圖11為天線S參數(shù)與增益的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。其中，S參數(shù)和增益的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，在95—110 GHz范圍內(nèi)兩個(gè)端口的回波損耗均優(yōu)于15 dB，且端口隔離度大于12.5 dB，增益為19.5 ±2.5 dBic。

圖10 天線的S參數(shù)

圖11 喇叭的增益曲線

圖12為該天線在95 GHz、97.5 GHz、100 GHz和104 GHz、106.5 GHz、109 GHz六個(gè)頻點(diǎn)仿真與實(shí)測(cè)的xoz面歸一化增益方向圖。右旋圓極化端口在95—106.5 GHz范圍內(nèi)，增益方向圖和軸比與仿真結(jié)果基本吻合，但在109 GHz處的電場(chǎng)強(qiáng)度稍有惡化；左旋圓極化端口在整個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)測(cè)的增益方向圖和軸比與仿真結(jié)果能較好吻合。

圖12 天線的仿真及實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于隔板極化器的W波段雙圓極化喇叭天線，并結(jié)合電磁帶隙結(jié)構(gòu)有效減小了裝配誤差對(duì)天線整體性能的影響。天線實(shí)測(cè)結(jié)果顯示其工作帶寬覆蓋95—110 GHz，回波損耗優(yōu)于15 dB，隔離度大于12.5 dB，軸比小于1.2，增益為19.5±2.5 dBic，交叉極化鑒別度優(yōu)于25 dB，具有良好的電氣性能，可以有效應(yīng)用于W波段通信系統(tǒng)中，為毫米波在移動(dòng)通信中的超高速率通信和基站回傳等方面應(yīng)用提供了重要支持。