提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽方法概述

武警工程大学研究生管理大队13队 张叶枫 郭园园 刘明飞

提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽方法概述

武警工程大学研究生管理大队13队 张叶枫 郭园园 刘明飞

概述了提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽的方法。首先介绍了圆极化天线的基本知识；其次介绍了基片集成波导圆极化天线存在的问题；最后分析了提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽的方法，为设计基片集成波导宽带圆极化天线提供依据和指导。

基片集成波导；圆极化天线；轴比带宽

0 引言

圆极化天线常用于雷达通信系统，可以解决极化失配和多径效应等问题。基片集成波导是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的[1]，作为一种新型的导波结构，因其低剖面、易于平面集成、功率容量大等优势，在众多领域应用广泛。2009年，一种基于基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）矩形腔的圆极化天线首次被提出[2]，该天线在顶面刻蚀十字交叉缝隙，采用共地共面波导馈电结构，性能良好。经过十多年的发展，基片集成波导圆极化天线种类繁多。

1 基片集成波导圆极化天线存在问题

由于基片集成波导的低剖面结构和大多数结构采用的单馈电方式，基片集成波导圆极化天线的轴比带宽较低，一般在3%以下。因此，拓展基片集成波导圆极化天线的轴比带宽是研究的重点和难点。为此，许多学者进行了探索并取得了显著的成果，经归纳整理，主要是通过改变馈电方式来提高天线的轴比带宽。改进的提高SIW圆极化天线轴比带宽的馈电方式主要分为以下三种：加载分支耦合器馈电法、加载枝节的带状线馈电法和顺序旋转馈电。其中顺序旋转馈电法又可分为三种实现方法：采用微带结构的威尔金森功分器、采用基片集成波导结构的功分器和采用同轴线-SIW结构的功分器。已有的文献表明，采用上述方法后，基片集成波导圆极化天线的轴比带宽得到很大提升，下面对其分别进行简单的介绍。

2 提高轴比带宽的方法

2.1 加载分支耦合器馈电法

如图1所示，Guo Qing Luo等人利用分支耦合器对加载十字交叉缝隙的基片集成波导天线进行馈电[3]，不仅增加了轴比带宽，而且通过改变输入端口和匹配端口即可改变天线的极化特性。如图2所示，方舜宇[4]采用三分支定向耦合器，较传统的两分支定向耦合器有更宽的带宽。

图1 一种双圆极化SIW天线

图2 SIW环缝圆极化天线

2.2 加载枝节的带状线馈电法

如图3和图4所示，文献[5]和文献[6]采用T形带状线对微扰的圆形贴片馈电，获得圆极化辐射性能。文献[6]通过改进的T型带状线枝节对其进行馈电，并且在天线对角线处加入对称的空气通孔以及在天线顶面加载寄生圆环来进一步地提高天线的圆极化性能，天线的轴比带宽达到18.7%。

图3宽带圆极化SIW天线

图4 带宽增强的SIW圆极化天线

2.3 顺序旋转馈电法

SIW圆极化阵列天线的实现方法主要通过对线极化单元或圆极化单元进行相差900的顺序旋转四点馈电，馈电方式主要是威尔金森功分器或SIW功分器进行等幅、相差900的旋转馈电法。如图5和图6所示，文献[7]设计了两款SIW圆极化天线，轴比带宽分别达到21.53%和25.7%。而文献[8]采用SIW功分器结构对线极化单元阵列进行馈电，轴比带宽达到14%，天线结构如图7所示。2016年，Qi Wu[9]等人设计了三款基于SIW技术的圆极化天线，分别为全模、半模、阵列结构，值得一提的是，文中提出的阵列天线采用的是同轴线-SIW功分的馈电结构，轴比带宽达从半模单元结构的2.3%增至7.7%，天线结构如图8所示。

图5 基于八分之一模SIW圆极化天线

图6 基于四分之一模SIW宽带圆极化天线

图7 SIW背腔圆极化阵列天线

图8 SIW圆极化背腔阵列天线

3 总结

基片集成波导圆极化天线的设计种类繁多，但轴比带宽较宽的并不多见。本文主要是对已有的拓展基片集成波导圆极化天线轴比带宽的文献进行归纳总结，从馈电方式上的不同进行了简单的分类介绍，为后续的基片集成波导圆极化宽带天线的设计提供依据和参考。

[1]郝张成．基片集成波导技术的研究[D]．东南大学博士学位论文,2005．

[2]Guo Q L,Zhi F H,Yaping L,et al．Development oflow Profile Cavity Backed Crossed Slot Antennas for Planar Integration[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,57(10)：2972-2979．

[3]Guo Qing Luo,Peng Li,Zhi Chang Zheng,Ling Ling Sun．A Dual Circularly Polarized Antenna with Improved Axial Ratio Bandwidth[J]．2011 China-Japan Joint Microwave Conference,2011：1-4．

[4]方舜宇．基片集成波导卫星导航天线研究[D]．华东师范大学硕士论文,2014．

[5]Fei Gao,Fushun Zhang,Lu Lu,Yong-Chang Jiao．Wideband Circularly Polarized SIW Antenna[J]．Microwave and Optical Technology Letters,2014,56(11)：2539-2542．

[6]Tian Li,Fu-Shun Zhang,Fei Gao,Yan-Li Guo．Circularly Polarized Substrate Integrated Waveguide Cavity-Backed Antenna with Enhanced Bandwidth for Wideband Wireless Applications[J]．Progress in Electromagnetics Research C,2016,68：85-93．

[7]冉亚华．基于基片集成波导的圆极化天线研制[D]．成都：电子科技大学,2016．

[8]D．F．Guan,C．Ding,Z．P．Qian,et,al．Broadband High Gain SIW Cavity-Backed Circular Polarized Array Antenna[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(4)：1041-1046．

[9]Qi Wu,Haiming Wang,Chen Yu,Wei Hong[J]．Low-Profile Circularly Polarized Cavity-Backed Antennas Using SIW Techniques．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(7)：2832-2839．

张叶枫（1991—），江苏泰州人，研究生在读，现就读于武警工程大学。

郭园园（1989—），安徽马鞍山人，研究生，现就职于福建总队通信站。

刘明飞（1989—），河南许昌人，研究生在读，现就读于武警工程大学。