基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线

张晓玲，徐渊源，王 震，符晓天

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

近年来，对毫米波天线技术的研究引起了越来越多的关注。毫米波应用具有工作带宽宽、一定口径下波束宽度窄、分辨率高、传播受气候影响小、更容易小型化等优点[1]。但是毫米波在大气传输中存在严重衰减[2]，为了补偿该衰减，通常应用于毫米波的天线为具有高增益特性的阵列天线；另一方面，针对毫米波研究表明，相比线极化形式，圆极化形式能够提供更有竞争力的信道特性及抗干扰能力[3]。因此，具有圆极化特性的阵列天线是毫米波天线的优选形式。

在毫米波阵列天线设计中，单元天线形式的选取至关重要：一方面单元天线特性是阵列特性的一个决定性因素；另一方面，单元天线的结构形式直接影响阵列天线的可集成度、结构复杂度等特性。对于毫米波阵列天线，常见文献中广泛应用的单元天线形式有：微带贴片天线[4]、腔体天线[5]、缝隙天线[6-8]等等。这些天线具有平面结构且较易实现阵列排布，但其3 dB轴比带宽大多较窄不超过10%，直接影响毫米波的宽带应用。其他文献中介绍了轴比带宽较宽的天线形式[9-11]，但这些天线电尺寸通常都大于一个波长，即不适合应用于阵列排布。本文针对此问题，提出了基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线。

1 宽带圆极化阵列天线简述

1.1 天线带宽

天线带宽通常有两种表示方法，一种称为“相对带宽”，其定义为天线的绝对带宽2Δf与工作频带内中心频率fc之比，即：

(1)

式(1)中，fh和fl分别表示工作频带的上限频率和下限频率，fc为工作频带的中心频率。天线带宽又具体分为阻抗带宽、极化带宽、增益带宽及方向图带宽等，通常情况认为，天线带宽大于10%即为宽带天线。

1.2 圆极化天线

根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。

圆极化天线的极化波参数就是它所辐射的电磁波的轴比AR(axial ratio)，即为圆极化波的长轴和短轴之比，用r表示，换算为dB表示的轴比为AR=20lg(r),当r=1或AR=0 dB时，即为纯正的圆极化；当r=∞或AR=∞ dB时，即为纯正的线极化。一般，轴比不大于3 dB的带宽定义为天线的圆极化带宽。圆极化天线增益单位一般采用dBic表示，是指与标准圆极化等向性点源天线对比所得增益。

1.3 阵列天线排布

阵列天线的性能与单元天线、单元天线间距、单元数目和排布形式相关。其中，天线单元间距是根据避免出现栅板的条件确定的。阵列天线不出现栅板的单元间距条件是[12]：

(2)

式(2)中，θ0为阵列扫描角度。对于边射阵，单元间距要求小于波长λ。

2 基于孔径耦合的宽带圆极化阵列天线

2.1 基于孔径耦合的宽带圆极化天线单元

为了实现宽带圆极化，本文将孔径耦合应用到磁电偶极子天线中，兼顾二者优势。利用SIW馈电的孔径耦合的磁电偶极子天线单元详细结构如图1所示。下层基板为馈电结构，上层基板为天线辐射结构。

图1 单元天线结构尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of unit antenna structure size

SIW中缝隙只能激励与其垂直的电偶极子和与其平行的磁偶极子，实现线极化工作,而形成圆极化辐射需要给两个正交模式等幅度90°相差馈电，为实现圆极化辐射，在本设计中引入金属条带连接两个对角线位置的平面贴片，同时将另一对角平面贴片的内角剪切，以此实现将SIW缝隙馈电的部分能量耦合到磁电偶极子天线的正交方向上，配合调整平面贴片、金属条带及贴片间缝隙的尺寸可实现圆极化辐射。

天线具体尺寸为：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 基于孔径耦合的宽带圆极化阵列天线

为实现宽带高增益圆极化阵列天线，在孔径耦合磁电偶极子圆极化天线单元基础上，设计了一种8×8圆极化天线阵列，结构如图2所示。

图2 阵列天线结构示意图Fig.2 Structure diagram of array antenna

阵列天线由三层介电常数为2.2，厚度为0.762 mm的介质板组成。辐射单元设计在介质板1中，介质板1的下层和介质板2的上层均设计有缝隙，用以激励每个辐射单元。受限于SIW的宽度，将馈电网络分解为两个部分，分别设计在介质板2和介质板3上。用于辐射单元馈电的末端短路的SIW部分设计在介质板2中，四个相邻的SIW部分组成一个2×2子阵馈电网络，剩余的一分16端口SIW馈电网络设计在介质板3中，16个输出端口分别给16个2×2子阵等幅馈电。图3所示为阵列天线2×2子阵的具体结构形式及馈电网络图。缝隙B设计在介质板2的下层及介质板3的上层，用于两层之间的能量耦合。2×2子阵为“H形”馈电网络，可以实现在较宽的工作带宽内将缝隙B输入的能量等幅同相输出四个部分到缝隙A。最终通过一分16的并馈SIW网络完成对整个阵面的馈电，并馈网络在宽带范围内特性稳定，有效避免了色散效应。在阵列设计中将辐射单元的尺寸进行了微调优化，以获得阵面更好的阻抗及辐射特性。

图3 2×2子阵结构及馈电网络Fig.3 Structure of 2×2 subarray and feeding network

3 仿真与测试验证

3.1 圆极化天线单元电流电场分布仿真

天线单元表面电流分布和缝隙上的电场分布情况仿真结果如图4所示，验证了孔径耦合磁电偶极子天线的工作机制。假设T为工作频率对应的一个周期，在时间t=0和T/2时，贴片中大面积电流沿y方向，表示沿y方向的电偶极子被激励；同时，贴片间缝隙上的电场主要集中在y方向，表示沿x方向的等效磁偶极子同时被激励。同样，在时间t=T/4和3T/4时，表示沿x方向的电偶极子和沿y方向的等效磁偶极子被激励。

图4 单元天线表面一个周期内电流及电场分布示意图Fig.4 Distribution diagram of current and electric field in one period on the surface of unit antenna

综上分析，沿y方向的等效磁偶极子和沿x方向的电偶极子产生xOz方向的线极化辐射，同时沿x方向的等效磁偶极子和沿y方向的电偶极子产生yOz方向的线极化辐射。这两种正交极化间的激励存在T/4时间延迟，即相差90°，同时两种正交极化的幅度基本一致，因此实现了圆极化辐射。

3.2 实物测试验证

在全波电磁仿真软件Ansoft HFSS中对天线进行仿真分析，通过优化天线参数最终实现设计要求。依据设计制作出天线实物，如图5所示。

图5 阵列天线加工实物图Fig.5 Photographs of the fabricated array antenna

天线驻波比测试和仿真对比结果如图6所示。由于装配工艺的影响，天线驻波比结果有略微差异，但大体上基本保持一致，天线驻波比小于2的带宽大于23.3%(52.8～67.2 GHz)。天线在工作频带内轴比特性的实测和仿真对比结果如图7所示，实测和仿真基本保持一致，实测天线轴比小于3 dB的带宽大于20.2%(54.1～66.3 GHz)。天线增益的实测和仿真对比结果如图8所示，天线实测增益大于25.2 dBic，基本达到仿真预期。通过对比天线实测增益和仿真方向性系数，得到天线辐射效率在工作频率60 GHz处大于71.5%，主要的损耗来自SIW的多级馈电网络。

图6 天线驻波比仿真及测试对比结果Fig.6 Simulation and measured VSWR comparison of the antenna

图7 天线轴比仿真及测试对比结果Fig.7 Simulation and measured axial ratio comparison of the antenna

图8 天线增益仿真及测试对比结果Fig.8 Simulation and measured gain comparison of the antenna

图9—图11为天线在55、60、65 GHz处两个面的方向图实测结果。由图可见天线实测方向图特性与仿真结果非常吻合，方向图对称性良好，有较好的单向辐射特性。

图9 天线55 GHz主极化与交叉极化实测方向图Fig.9 Measured main pdarization and cross polarization radiation pattern of the antenna at 55 GHz

图10 天线60 GHz主极化与交叉极化实测方向图Fig.10 Measured main pdarization and cross polarization radiation pattern of the antenna at 60 GHz

图11 天线65 GHz主极化与交叉极化实测方向图Fig.11 Measured main pdarization and cross polarization radiation pattern of the antenna at 65 GHz

4 结论

本文提出了基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线。该天线使用基于孔径耦合的磁电偶极子宽带圆极化天线作为天线单元，天线单元由四个水平方向的贴片和四个垂直方向的金属通孔组成，通过引入额外的金属条连接对角位置的两个贴片同时将另一对贴片内角剪切，将圆极化带宽提升到20%以上。天线单元的馈电通过在末端短路的基片集成波导(SIW)宽边上开横向槽耦合实现。在此基础上利用SIW制作馈电网络，实现毫米波8×8高增益宽带圆极化阵列天线的设计。天线实测结果表明，该阵列天线能够在52.8～67.2 GHz实现VSWR<2 (相对带宽为23.3%)，3 dB轴比带宽达到20.2%，天线增益大于25.2 dBic，辐射效率超过71.5%，是一种较优的毫米波宽带圆极化阵列形式。