一種基片集成波導饋電的毫米波磁電偶極子天線設(shè)計*

王 兵，王志愿，楊鈺琦，魏彥玉

(1.重慶郵電大學 電子信息與網(wǎng)絡工程研究院，重慶 400065；2.電子科技大學 電子科學與工程學院，成都 611731)

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，微波低頻段的頻譜干擾日趨嚴重，已經(jīng)不能滿足人類的通信需求，因此人們越來越關(guān)注頻譜資源豐富的毫米波頻段。毫米波不僅頻帶寬，而且具有傳輸速度快、通信安全性高、傳輸質(zhì)量好等優(yōu)點，極大的彌補了微波低頻傳輸?shù)娜秉c，因此，毫米波技術(shù)已成為通信科研工作者的研究熱點。天線作為通信器件的射頻前端，在毫米波通信技術(shù)中具有舉足輕重的作用[1-4]。微波低頻段常采用的微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等優(yōu)點，但是微帶天線傳輸損耗大、頻帶窄、傳輸效率低，在毫米波通信系統(tǒng)中的應用有限，因此研究適用于毫米波通信的天線一直是科研工作者的重要研究目標[5-7]。

磁電偶極子天線由于具有寬頻帶、交叉極化低、E 面和 H 面輻射方向圖相似、增益穩(wěn)定、后向輻射小等優(yōu)點在毫米波通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[8-9]。作為一種新型的平面天線，磁電偶極子天線具有饋電方式靈活，可以采用多種饋電方式[10]。基片集成波導(SIW)通過在低損耗、低剖面的介質(zhì)基板上打若干排金屬化通孔來實現(xiàn)電磁波的傳輸，是近幾年工程應用研究較多的一種導波結(jié)構(gòu)[11-14]?；刹▽c傳統(tǒng)的金屬波導對比，具有易于集成、體積小、易于加工、重量輕等優(yōu)點[15]。在毫米波頻段采用基片集成波導對磁電偶極子天線進行饋電可以將電磁波束縛在腔體內(nèi)部，從而防止信號泄露，降低傳輸損耗，改善天線帶寬[16]。

本文基于磁電偶極子天線的基本原理，設(shè)計了一種毫米波頻段的磁電偶極子天線。該天線由基片集成波導饋電結(jié)構(gòu)構(gòu)成，基片集成波導是一種封閉的結(jié)構(gòu)，可以有效抑制電磁型號的泄露，從而抑制表面波損耗和電磁雜散，降低干擾。采用金屬貼片和矩形縫隙來等效電偶極子和磁偶極子，金屬貼片通過三個金屬通孔與基片集成波導的上層地板相連，金屬通孔對稱分布在基片集成波導中心線兩側(cè)。通過矩形縫隙將能量耦合給金屬貼片，提高天線輻射效率。在金屬貼片上蝕刻的H型縫隙，可以優(yōu)化電流的路徑，改善天線的諧振和匹配特性。該天線具有寬頻帶、低交叉極化、良好方向圖一致性、易于制造等優(yōu)點。

1 磁電偶極子天線基本原理

磁電偶極子天線將磁偶極子和電偶極子進行組合，實現(xiàn)穩(wěn)定的方向圖。由于磁偶極子的H面方向圖為“8”字形狀，E面方向圖為“O”字形狀，而電偶極子的H面方向圖為“O”字形狀，而E面方向圖為“8”字形狀， 因此可以將磁偶極子和電偶極子結(jié)合在一起，使得它們的方向圖相互補償。由于磁偶極子和電偶極子的磁場和電場互換了位置，因此將它們結(jié)合在一起后前向輻射會得到加強，后向輻射相互抵消，從而使得磁電偶極子天線能產(chǎn)生更好的前向輻射增益，同時在工作頻段內(nèi)增益也更穩(wěn)定、交叉極化低。當磁偶極子與電偶極子在同一平面，空間相差90°放置時，可形成E面、H面對稱的心形方向圖，如圖1所示。

圖1 磁電偶極子方向圖原理

2 天線的仿真設(shè)計

2.1 天線仿真結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3 所示，由于天線的工作頻率較高，因此采用高頻段介質(zhì)損耗較小的Rogers RT/duroid5880介質(zhì)基片，該基片的介電常數(shù)為2.2，損耗正切為0.001，介質(zhì)基片1的厚度為0.762 mm，介質(zhì)基片2的厚度為1 mm，介質(zhì)基片1和介質(zhì)基片2可通過在天線四周設(shè)置固定孔通過尼龍螺絲進行固定。介質(zhì)基片1和通孔構(gòu)成基片集成波導結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基片1的上層地板上蝕刻矩形縫隙。介質(zhì)基片2的上表面是蝕刻H縫隙的金屬貼片，金屬貼片與矩形縫隙的幾何中心重合，且兩者對稱分布在 SIW 中心線的兩側(cè)?？p隙等效為磁偶極子，金屬貼片等效為電偶極子。金屬貼片通過三個金屬通孔與上層地板相連，金屬通孔對稱分布在基片集成波導中心線兩側(cè)，金屬貼片通過縫隙和金屬通孔進行激勵。通過三維電磁仿真軟件HFSS對模型進行優(yōu)化計算仿真，得到的尺寸參數(shù)如表1所列。

圖2 天線的三維模型圖

圖3 天線的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 天線尺寸參數(shù)表

2.2 天線的仿真結(jié)果

通過對模型的優(yōu)化仿真，天線的駐波比如圖4所示。

圖4 電壓駐波比仿真結(jié)果

從圖可以看出天線的工作頻段為24.5 GHz～33 GHz；在26 GHz～33 GHz的頻段內(nèi)駐波比均小于1.5。圖5是天線在工作頻帶內(nèi)的增益曲線圖，從圖中可以看出天線在24.5 GHz～33 GHz的頻率范圍內(nèi)增益均大于5.5 dBi，在工作頻帶范圍內(nèi)增益穩(wěn)定。圖6給出了天線在28 GHz的3D方向圖，可以看出天線的增益達到7.3 dBi。

圖5 天線的增益

圖6 天線在28 GHz的三維輻射圖

圖7為天線分別在28 GHz、30 GHz和32 GHz的E面和H面方向圖，可以看出在天線的工作頻段內(nèi)，H面和E面的方向圖接近,天線具有較低的交叉極化分量，交叉極化控制在-30 dB左右，和前面對磁電偶極子的分析一樣，天線的方向圖有很好的對稱性。

(a)28 GHz

(b)30 GHz

(c)32 GHz

3 結(jié)論

本文采用基片集成波導結(jié)構(gòu)使毫米波磁電偶極子天線在介質(zhì)基板上得以實現(xiàn)。由于基片集成波導屬于封閉結(jié)構(gòu)，使得表面波輻射得到了有效的抑制，天線的匹配和增益得到了改善，通過矩形縫隙將更多的能量耦合給金屬貼片，使天線的輻射效率得到了提高。采用電磁仿真軟件HFSS對天線進行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過仿真計算，天線工作在24.5 GHz～33 GHz，增益在阻抗帶寬內(nèi)大于5.5 dBi，交叉極化比小于-30 dBi，增益穩(wěn)定，具有良好的方向圖。該基片集成波導饋電的磁電偶極子天線具有結(jié)構(gòu)簡單、寬工作頻帶、增益穩(wěn)定、低交叉極化、易于加工等特點，在毫米波無線通信系統(tǒng)中有著良好的應用前景。