基于1/4模基片集成波导的单馈电小型圆极化天线

基于1/4模基片集成波导的单馈电小型圆极化天线

王倪金城徐晓文孙厚军

(北京理工大学信息与电子学院,北京 100081)

摘要1/4模基片集成波导可等效为由两个磁壁和一个电壁组成的等腰直角三角形波导．采用基于等腰直角三角形波导的空腔模式法分析了1/4模基片集成波导,得到了横电波模和横磁波模的表达式．基于1/4模基片集成波导设计了一种单微带馈电的平面小型圆极化天线．仿真结果表明:该天线可以实现右旋圆极化,且具有6.18 dBic的高增益和3.44%的3 dB轴比带宽．

关键词圆极化天线;1/4模基片集成波导;单馈电

中图分类号TN821`+.1

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0744-05

AbstractA quarter-mode substrate integrated waveguide (QMSIW) is equivalent to an isosceles right triangular waveguide with two magnetic walls and one electric wall at the hypotenuse of the triangular. The mode solutions of the QMSIW are determined based on the cavity model of an isosceles right triangular waveguide,both transverse electric and transverse magnetic mode shapes are presented in this paper. Single microstrip-fed antenna based on QMSIW with planar compact circular polarization is proposed and designed. The simulation results show that this antenna exhibits right-handed circularly polarized radiation with a high gain of 6.18 dBic and 3 dB axial ratio bandwidth of 3.44%.

收稿日期：2014-09-07

作者简介

Single-fed compact circularly polarized antenna based on

quarter-mode substrate integrated waveguide

WANG NiJIN ChengXU XiaowenSUN Houjun

(SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Key words circularly polarized antenna; quarter-mode substrate integrated waveguide; single-fed

引言

资助项目： 北京理工大学优秀青年教师资助计划-跨学科项目(3050012331524)

联系人： 金 城 E-mail: jincheng@ieee.org

圆极化天线不但可以抑制雨雾干扰和抗多径反射,而且可以接收任意极化的来波,另外其辐射波也可由任意极化的天线接收[1],因此被广泛应用于雷达、无线通信系统和电子对抗等领域．随着通信技术的发展,通信系统设备的不断减小,对天线小型化的需求逐渐增多．同时在许多特殊应用的场合,特别是车辆、船舶、舰艇和飞机在内的卫星移动通信业务系统中,物理空间的限制提高了对天线小型化的需求．平面小型圆极化天线既能满足天线圆极化特性的要求,且体积小、又易与其他器件相集成,应用广泛．圆极化天线的主要实现方式有微带圆极化天线和波导圆极化天线．微带圆极化天线的一种实现方法是在天线的特定位置对天线的场分布进行微扰,以实现激励两个幅度相等、具有90°相位差的正交模式[2-3]．另一种实现方法是通过微带天线贴片上的十字缝隙,实现天线的圆极化[4]．这两种天线虽加工简单,但其工作带宽都很窄．背腔式圆极化天线具有好的辐射特性[5],但天线背腔的高度要1/4波长,这大大限制了背腔的应用范围,且背腔的制作复杂,同时这种天线的带宽也很窄．

基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)的天线与微带天线相比具有低损耗、高功率容量、高品质因数等优点,与传统波导天线相比结构紧凑、体积小、易于集成且加工成本低[6]．1/4模SIW(Quarter-Mode SIW, QMSIW)保留了原有基片集成波导的特性,且面积缩小为原有SIW的1/4．

SIW用于实现圆极化天线．文献[7]提出了一种基于SIW的背腔式十字缝隙天线,采用TE12模,通过调节缝隙的两臂长度,实现90o相位差,形成了轴比带宽为0.8%的圆极化天线．文献[8]基于半模SIW(Half-Mode SIW, HMSIW)设计了一种低剖面背腔式缝隙圆极化天线,通过调节缝隙长度,工作在TE12模,实现了1.74%的轴比带宽．文献[9]设计了基于QMSIW工作在TE22模的圆极化天线,该天线的轴比带宽为2.8%．

本文研究基于QMSIW的平面小型圆极化天线．分析了QMSIW的理论特性,并基于其特性,设计了一种便于集成与加工的单微带馈电的QMSIW圆极化天线．仿真结果表明该天线可实现6.18 dBic的高增益和3.44%的3 dB轴比带宽．

1理论分析

1.11/4模基片集成波导(QMSIW)

QMSIW是在SIW的基础上,沿着SIW的中心两个对称面相切所得．由于SIW的宽高比很大,所以切面处可以等效为磁壁．将SIW沿中间的等效磁壁切成两部分,可以得到HMSIW．沿HMSIW中间的等效磁壁进行第二次相切可形成QMSIW．QMSIW保留了原有SIW场分布的1/4[9]．

QMSIW可等效为由两个磁壁和一个电壁组成的等腰直角三角形波导．一排具有恰当孔半径和孔间距的金属化通孔可视为电壁,沿SIW对称面相切所得的边可视为等效磁壁．采用模式法分析QMSIW．此三角形波导中TE模的模函数为[10-11]

(1)

式中,m,n是不为零的整数．在此三角形波导中,满足边界条件的TM模的模函数为

(2)

式中,m≠n．

TM模和该等腰直角三角形波导的主模都是TM01/TM10模．该三角形波导截止波数的计算公式为

(3)

1.2基于QMSIW的圆极化天线设计

基于QMSIW的理论分析,设计了一种由四个QMSIW单元组成的圆极化天线,天线结构如图1所示．天线采用有利于集成与加工的微带馈电方式．设计的天线结构尺寸参数如表1所示．天线基片采用厚度为1.57 mm,相对介电常数εr=2.2,损耗角正切tanδ=0.001 1的Rogers RT5880介质基板．

图1　基于四个QMSIW单元的圆极化天线结构图

参数天线尺寸L1L2L3GP1P2P3P4av1v2dsv3.82.61.213.311.7191.918.80.660.670.510.5

为了实现天线的圆极化辐射,将微带馈电的位置选在其中一个QMSIW单元的斜角处,以确保在QMSIW子阵列中激励出相位相差90°的电场分量[9]．四个QMSIW单元间,采用贴片进行电感耦合．通过调节贴片的长度L1、L2和L3,使每个QMSIW单元的电场幅值相等,从而整个天线形成了两个幅值相等、相位相差90°且相互正交的电场分量,产生圆极化波．

在设计该圆极化天线时,在微带线馈电附近加入了不同数量的金属化通孔,利用通孔的感性,调节天线阻抗．不同数量的通孔对天线阻抗的影响如图2所示．从图2可以看出,随着通孔数量的增加,天线的反射系数逐渐变小．通孔数量的改变同时对天线的轴比也产生影响,图3给出了轴比随通孔数量的变化．结合通孔对反射系数和轴比的共同影响,选择在馈电附近加入两排半通孔,以提高天线的辐射特性．

图2　通孔数量对天线反射系数的影响

图3　通孔数量对天线轴比的影响

2实验结果分析

设计的圆极化天线的仿真反射系数和增益如图4所示．小于-10 dB的阻抗带宽为5.14～5.42 GHz,最大增益为6.18 dBic．图5显示了天线的轴比和辐射效率．天线的3 dB轴比带宽为从5.14 GHz到5.32 GHz的3.44%,最大辐射效率为99.05%．5.2 GHz的轴比为1.15 dB,增益为6.17 dBic,ANSYS-HFSS软件仿真的辐射效率为98.76%,其空间轴比的特性如图6所示．小于3 dB的空间轴比从-38°到23°覆盖整个空间61°,小于6 dB的空间轴比从-109°到33°覆盖整个空间142°．因为轴比小于3 dB为圆极化,小于6 dB为椭圆极化,继续调整该天线的结构参数,可进一步提高此天线的3 dB轴比空域覆盖特性．5.2 GHz的φ=0°、φ=45°和φ=90°的切面辐射方向图如图7(a)、(b)和(c)所示．仿真结果表明,设计的QMSIW天线可实现右旋圆极化．

图4　QMSIW圆极化天线仿真反射系数和增益

表2展示了之前文献中的天线与文中所设计天线之间的性能比较．设计天线的轴比带宽和增益相比之前的文献都有很大提高．文中设计的天线采用单微带馈电即可实现好的天线圆极化性能,与使用复杂的馈电网络实现天线的圆极化相比,单馈电天线体积更小、加工更方便,且微带馈电较同轴馈电更易集成．

图5　QMSIW圆极化天线仿真轴比和辐射效率

图6　QMSIW圆极化天线仿真轴比的空间分布特性

(a) φ=0°

(b) φ=45°

(c) φ=90° 图7　不同φ时的QMSIW圆极化天线仿真辐射方向图

圆极化天线结构3dB轴比带宽/%频率/GHz增益/dBic对称式开槽贴片[12]0.492.44.3十字缝隙背腔式SIW[7]0.810.16.15开槽方形贴片[13]0.842.2622.8背腔式HMSIW[8]1.748.754.87本文所提QMSIW天线3.445.26.17

3结论

文中设计了一种采用单微带馈电的基于1/4模基片集成波导的平面小型圆极化天线．使用基于空腔模型的模式法对由两个磁壁和一个电壁组成的等腰直角三角形波导进行分析．基于理论分析设计出的由四个QMSIW单元组成的圆极化天线,仿真结果表明该天线具有高增益、高辐射效率和好的轴比带宽的辐射特性,且天线结构易于加工和集成,满足雷达、通信系统等对天线的应用需求．

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王倪(1987-),女,北京人,北京理工大学博士研究生,主要研究方向为天线设计、电磁场数值仿真．

金城(1984-),男,河北人,北京理工大学副教授,博士,主要研究方向为微波毫米波雷达系统、无线通信系统、天线设计等．

徐晓文(1957-),男,安徽人,博士后,北京理工大学教授,博士生导师,主要研究方向为电磁仿真与天线技术．

孙厚军(1969-),男,山东人,北京理工大学教授,博士生导师,主要研究方向为毫米波雷达系统、微波通信系统等.

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