基于SIW的雙頻圓極化天線設(shè)計(jì)*

周伯樂 ，陳 暉 ，張 云

（1.軍委訓(xùn)練管理部軍事體育訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210007；2.陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；3. 東部戰(zhàn)區(qū) 聯(lián)合訓(xùn)練和評估保障中心，江蘇 南京 210000）

0 引 言

近些年來，無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，蜂窩電話、全球定位系統(tǒng)（GPS）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、衛(wèi)星通信、個(gè)人通信等領(lǐng)域都需要重量輕、剖面低、制造簡單、易共形的寬頻帶或雙頻段天線[1］。

為了能夠使天線雙頻工作,通?？梢酝ㄟ^以下幾種方法實(shí)現(xiàn)：①層疊貼片；②共面貼片；③模式正交；④集總元件加載（包括短路針、縫隙等）；⑤加載人工電磁結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2-3］中提出了一種新穎的圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方法，即通過將印刷磁偶極子與一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)或者一個(gè)電偶極子組合實(shí)現(xiàn)。盡管該方法能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化端射輻射特性，但是存在著顯著的缺陷，如帶寬窄、饋電方式受限以及不易組陣等。

為此，本節(jié)提出了一種基于SIW加載技術(shù)的圓極化雙頻天線。通過在微帶貼片頂端的偶極子側(cè)面另加載一對形狀不同的偶極子實(shí)現(xiàn)雙頻特性；通過SIW口徑與印刷電偶極子為兩種正交的場分量提供90°的相位差，實(shí)現(xiàn)圓極化特性。該天線兩個(gè)頻段的阻抗帶寬分別達(dá)到46%與27%，軸比帶寬分別為3.3%與10.9%，最大增益分別達(dá)到5.8 dBi與9.3 dBi。該天線有較好的圓極化特性，剖面較低，制作簡單，成本較低，在無線通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 天線的結(jié)構(gòu)和分析

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線介質(zhì)基板的介電常數(shù)為2.2、厚度為2 mm。天線共有兩排金屬化過孔，過孔的直徑為d，過孔之間的距離為p，兩排過孔的距離為w。

圖1 寬圓極化天線結(jié)構(gòu)

天線在遠(yuǎn)場的輻射主要由SIW口徑以及印刷電偶極子產(chǎn)生。SIW口徑能夠產(chǎn)生主要沿z軸方向的電場分量而電偶極子產(chǎn)生主要沿x軸方向的電場分量，兩種電場模式相互正交。SIW口徑與印刷電偶極子之間間距為d3，它能夠?yàn)閮煞N正交的場分量提供90°的相位差。至此，實(shí)現(xiàn)圓極化端射輻射的必要條件都已經(jīng)滿足。

天線的圓極化性能主要取決于電偶極子的長度l2以及SIW口徑與電偶極子的間距d1。首先電偶極子的長度應(yīng)設(shè)定為λ0/2，其中λ0為自由空間波長。下面確定間距的初始值。一方面，由于空間位置的不同，在y軸方向上，SIW口徑滯后于電偶極子的相位為：

同時(shí)，由于饋電的先后順序，電偶極子滯后于SIW口徑的相位為：

其中，λg為波導(dǎo)波長。因此，為實(shí)現(xiàn)圓極化端射特性，需滿足：

求解得：

依據(jù)上述公式，能夠基本確定天線的工作頻率，圖2、圖3進(jìn)一步給出了上述d1、l1對天線性能的影響規(guī)律。兩參數(shù)均對天線的阻抗帶寬存在較大影響。

圖2 回波損耗隨長度d1的變化曲線

圖3 回波損耗隨長度l1的變化曲線

當(dāng)基本確定上述兩個(gè)主要參數(shù)后，已經(jīng)滿足實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的必要條件。然而SIW開路輻射器通常帶寬非常窄且輻射特性差。因此，當(dāng)電偶極子直接與SIW口徑相連時(shí)，圓極化單元的帶寬非常窄，如圖1所示。當(dāng)在SIW口徑與電偶極子之間引入一個(gè)三角形的巴倫結(jié)構(gòu)時(shí)，SIW的有效口徑得到擴(kuò)展，因此天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都能顯著展寬。該天線結(jié)構(gòu)采用HFSS軟件進(jìn)行仿真，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)分析。巴倫長度w2對天線阻抗帶寬的影響如圖4所示。

圖4 回波損耗隨長度w2的變化曲線

2 優(yōu)化結(jié)果

通過使用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終的參數(shù)為：w=12 mm，l=35 mm，a=8 mm，b=20 mm，d1=6.5 mm，d2=8 mm，d3=3.5 mm，w1=0.5 mm，w2=2.4 mm，l1=4.2 mm，l2=3 mm，p=1.4 mm，d=0.8 mm。天線的回波損耗曲線如圖5所示，該天線兩個(gè)頻段的阻抗帶寬分別達(dá)到46%與27%。

圖5 回波損耗曲線

軸比曲線如圖6所示，可以看出，天線在18 GHz以及26 GHz附近同時(shí)實(shí)現(xiàn)了圓極化，軸比帶寬分別為3.3%與10.9%。天線增益曲線如圖7所示，最大增益分別達(dá)到5.8 dBi與9.3 dBi。天線在18 GH以及26 GHz處的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖如圖8所示，從圖中可以看出，天線實(shí)現(xiàn)了良好的端射輻射，同時(shí)在兩個(gè)頻率處實(shí)現(xiàn)了左旋圓極化，且在端射方向上的交叉極化電平均大于20 dB。天線在18 GHz處的后向輻射較大，從而降低了天線增益；而在26 GHz處的后向輻射較小，天線增益較大。

圖6 軸比曲線

圖7 增益曲線

圖8 天線遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖

3 結(jié) 語

本章提出了一款基于SIW加載技術(shù)的雙頻圓極化天線。該天線兩個(gè)頻段的阻抗帶寬分別達(dá)到46%與27%，軸比帶寬分別為3.3%與10.9%，最大增益分別達(dá)到5.8 dBi與9.3 dBi。由于該天線有較好的端射特性，增益較高，制作簡單且成本較低，可廣泛應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)。