非偏置間隙波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)

方 鑫,李 想,2,王 昊,,權(quán)雙龍

(1.南湖實(shí)驗(yàn)室,浙江 嘉興 314002;2.電磁空間認(rèn)知與智能控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;3.南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

0 引 言

天線在各種無線通訊系統(tǒng)中,是重要的前端器件,主要功能是接收和發(fā)射空間中無線電波的能量。在自由空間中,毫米波具有較為嚴(yán)重的路徑損耗和大氣損耗,在毫米波段,波導(dǎo)縫隙陣列天線更具優(yōu)勢。波導(dǎo)縫隙天線陣列一般由許多開在矩形金屬波導(dǎo)壁上的縫隙組成,具有口徑分布易于控制、易于實(shí)現(xiàn)窄波束寬度、副瓣電平低、損耗低、容量大、結(jié)構(gòu)緊湊牢固、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

間隙波導(dǎo)通過將金屬柱周期性排列形成了電磁帶隙結(jié)構(gòu),阻斷了電磁波的傳播。兩側(cè)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)與頂層金屬板之間存在一定高度的空氣間隙,在加工裝配中不需要嚴(yán)格的電連接,極大地降低了加工難度。因此,間隙波導(dǎo)不僅具有與矩形波導(dǎo)可比擬的傳輸性能,而且克服了矩形波導(dǎo)剖面高、體積大,加工裝配要求高、成本過高的缺點(diǎn),為毫米波天線的設(shè)計(jì)提供了新的選擇[3-4]。

本文基于槽線間隙波導(dǎo)(GWG)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款非偏置縫隙天線。通過金屬膜片對GWG中場進(jìn)行微擾,實(shí)現(xiàn)了非偏置的縫隙天線,并利用不同的梢釘結(jié)構(gòu)來進(jìn)行電容電感值的補(bǔ)償匹配。天線由同軸連接器從中心饋電,仿真結(jié)果表明了天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可行性,該天線具有增益高、低交叉極化、功率容量大、易于加工裝配等特點(diǎn)。

1 GWG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

槽型間隙波導(dǎo)(GGWG),由上下兩塊平行的金屬板、兩側(cè)的周期性電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)組成[5-8]。EBG結(jié)構(gòu)形成高阻抗表面,破壞了平行板模式。根據(jù)麥克斯韋方程推導(dǎo),當(dāng)上層金屬板與其距離小于1/4空氣波長時(shí),任何方向的電磁波都不能傳播,電磁波只能在板間的槽結(jié)構(gòu)之間傳播。EBG結(jié)構(gòu)與上層金屬板間空氣間隙的存在,使得GWG板間不需要嚴(yán)格電連接,這是GWG的顯著優(yōu)點(diǎn)。與矩形空腔波導(dǎo)的傳輸特性類似,主要傳輸模式為TE10模,電磁波主要在平行板之間的溝槽傳播,槽寬決定傳輸模式。

純金屬結(jié)構(gòu)GWG如圖1所示,通常需要至少兩排金屬梢釘形式的EBG結(jié)構(gòu)。筆者利用HFSS的特征模Eigenmode模塊,分析了其理想磁導(dǎo)體(PMC)和阻帶特性。GWG傳輸線的物理尺寸與阻帶特性如圖2所示。其阻帶范圍為23～58 GHz。對GWG傳輸線進(jìn)行S參數(shù)計(jì)算,傳輸線帶寬能夠滿足30～50 GHz頻率范圍。GWG傳輸線S參數(shù)如圖3所示。

圖1 GWG結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 周期梢釘結(jié)構(gòu)尺寸以及本征模分析

圖3 GWG傳輸線S參數(shù)

2 天線結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

GWG傳輸線主要傳輸模式為TE10模,與矩形空腔波導(dǎo)傳輸特性類似。常見的寬邊波導(dǎo)縫隙天線通過偏置縱向縫隙切割波導(dǎo)電流方式進(jìn)行輻射。對于非偏置縫隙,由于沒有切割電流,無法進(jìn)行能量輻射,因此在縫隙側(cè)邊采用了金屬膜片對GWG中的場進(jìn)行圍繞,從而實(shí)現(xiàn)電流切割[9-10]。為保證單元間相位一致性,金屬膜片的位置在縫隙左右依次排列,如圖4所示。圖5展示了加金屬膜片前后的表面電流分布,加膜片前縫隙未切割電流,表面電流能量很小。加金屬膜片后縫隙產(chǎn)生了電流切割,產(chǎn)生了電流輻射。

圖4 金屬膜片激勵(lì)非偏置縫隙結(jié)構(gòu)

圖5 加膜片前后GWG表面電流

對加了金屬膜片的縫隙進(jìn)行等效電路的模型分析,將輻射縫隙等效為并聯(lián)導(dǎo)納,導(dǎo)納又等效為一個(gè)RLC串聯(lián)電路[11]。GWG縫隙等效電路模型如圖6所示。調(diào)整金屬膜片的尺寸可以調(diào)整縫隙的導(dǎo)納值,圖7為計(jì)算出的縫隙模型對應(yīng)的導(dǎo)納值,包含實(shí)部與虛部,Y=G+jB。可見在金屬膜片的激勵(lì)下產(chǎn)生了輻射,但也帶來了較大的電容分量,即B值偏大。為了補(bǔ)償該電容分量,在GWG下層增加了金屬梢釘結(jié)構(gòu),位于縫隙兩邊依次排列,如圖8所示,從而進(jìn)行電感補(bǔ)償。圖9為增加金屬梢釘結(jié)構(gòu)后的導(dǎo)納值分布,可見金屬梢釘對于電導(dǎo)有一定的影響,對于電納的電感分量補(bǔ)償有效。優(yōu)化調(diào)整金屬膜片和金屬梢釘?shù)某叽?使兩者之間達(dá)到較好的匹配效果。

圖6 GWG縫隙等效電路模型

圖7 導(dǎo)納值分布(加梢釘補(bǔ)償前)

圖8 金屬梢釘結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 導(dǎo)納值分布(加梢釘補(bǔ)償后)

3 仿真結(jié)果與分析

利用上述非偏置縫隙作為天線陣列的輻射元件,設(shè)計(jì)了1個(gè)八單元中心饋電的縫隙陣列天線,如圖10所示。采用尾端為圓盤結(jié)構(gòu)的同軸連接器磁耦合進(jìn)行饋電。

圖10 八單元縫隙天線模型

圖11～圖12為利用HFSS仿真軟件計(jì)算天線的電壓駐波比(VSWR)和方向圖結(jié)果。結(jié)果顯示天線在34.04～37.6 GHz頻帶內(nèi)VSWR小于2,帶內(nèi)方向圖如圖12所示,主瓣內(nèi)交叉極化低于-40 dB,天線效率大于85%。

圖11 天線VSWR仿真結(jié)果

圖12 天線方向圖仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于槽線間隙波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款非偏置縫隙天線。通過金屬膜片對GWG中場進(jìn)行微擾,實(shí)現(xiàn)了非偏置的縫隙天線。并利用金屬梢釘結(jié)構(gòu)來進(jìn)行電容電感值的補(bǔ)償匹配。設(shè)計(jì)了八單元縫隙天線,由同軸連接器從中心饋電,仿真結(jié)果表明了天線在34.04～37.6 GHz頻帶內(nèi)VSWR小于2,主瓣內(nèi)交叉極化低于-40 dB,天線效率大于85%。該天線具有效率高、交叉極化低、功率容量大、易于加工裝配等特點(diǎn)。