一种高增益圆极化径向线缝隙天线的仿真研究

林可，肖怀宝，逯贵祯，王宜颖

(1.中国传媒大学信息工程学院，北京 100024;2.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876)

1 引言

径向线缝隙天线是一种高增益阵列缝隙天线，由于其显著的高增益、高效率、结构简单、适合大规模生产等优势，具有良好的商业应用前景［1，2］。

圆极化径向线缝隙天线(CP－RLSA)主要用于12GHz频段的直播卫星(DBS)接收［2］。在现代大数据背景下，高清晰度电视(HDTV)等的发展，CPRLSA的优势越来越明显。利用沿径向的外向行波来激励缝隙，目前径向线缝隙天线的增益理论上可达到36－37dBi，这约是常规平面天线在该范围增益的两倍［2］。

本文通过VBScript语言编程建模，自动生成大规模径向线缝隙阵，再将此缝隙阵结构导入HFSS(三维结构电磁场仿真软件)仿真环境，研究径向线上缝隙的大小、偏转角和相对位置，得出高增益的圆极化径向线缝隙天线(CP－RLSA)最佳的设计方案。

2 天线设计原理

2.1 天线结构［2］

径向线缝隙天线(RLSA)从结构上可以分为单层RLSA和双层RLSA，但是双层波导结构所设计的天线当能量传输到中心位置后剩余能量的处理较麻烦、效率和增益都比较低，而且由于不易于加工带来了加工费用的增加，不利于商业应用。采用单层波导结构的设计方式克服了上述缺点，但同时也给天线缝隙的设计带来了很大的挑战，主要表现在缝隙长度设计最里圈和最外圈缝隙的设计等［3］。由于单层RLSA相对于双层RLSA具有结构简单，成本较低等特点，是径向线缝隙天线发展的趋势［2］。

本文采用的是单层径向波导设计结构。图1所示的是一个单层径向线缝隙天线(Single－layered RLSA)［1，4］，由两块距离 d 小于二分之一波导波长λg的金属板构成的径向波导，波导的顶面开有沿螺旋线均匀分布的等缝隙对阵列，缝隙对的两缝隙相距为四分之一波导波长λg且互相垂直，构成一个圆极化辐射单元。在单层RLSA中，由同轴电缆在中心处馈入，并被转换成旋转对称的沿径向的外向行波［1，5］。

图1 圆极化径向线缝隙天线

2.2 原理分析［3］

圆极化径向线缝隙天线，其缝隙对沿螺旋线均匀分布。我们先考虑第一个缝隙对(n=1，2)。缝隙1和缝隙2与径向方向成θ1角倾斜，它们互相垂直，以等幅激励，相位差为，构成一个右旋圆极化辐射单元，其条件是:

下一步是导出缝隙对的位置，由几何关系可得:

描述径向线波导中磁场的分布函数;Sφ、ρ1和ρ3如图2所示。当满足条件kρ＞1时，式(2)可进一步简化为:

(3)式表明缝隙对的变化轨迹是一条螺旋线。其中，ψ表示缝隙起始位置的角度;λ0表示径向线波导中的波导波长。由于，ρ(ψ+2π)－ρ(ψ)=λg所以Sρ=λg(4)其中，λg为同一条径向线上两个相邻缝隙对之间的间距，如图2所示的位置［3］。

图2 螺旋线形状的缝隙对的排布规律

3 设计结构

通过VBScript语言编程建模，可以灵活优化缝隙的长度、角度等参数。在圆极化径向线缝隙天线设计的过程中，缝隙长度是天线设计中的关键。本文采用相对介电常数εr=1.06的圆极化径向线缝隙天线，设计中心频率为12GHz的DBS(直播卫星天线)。

根据上述原理，波导波长λg=24.282mm，慢波因子优化后的参数分别如下表1和表2所示:

表1 缝隙排列参数

表2 天线设计参数

4 仿真结果分析

本文所设计的径向线缝隙天线的直径为640mm，天线厚度为6.35mm。通过采用 VBScript建模，通过对缝隙的宽度、长度和偏转角度等设计参数进行优化，获得最佳的缝隙排列，参数如表1和2。

从图3可以看出，波导内的场分布基本保持完整旋转对称性，缝隙对从内到外都有较为均匀的辐射，最外圈的缝隙将所剩能量尽可能多的辐射出去，从而降低反射。

天线的增益和回波损耗如图4所示。

从图4可以得到，在频段 11.5－12.5GHz内S11均低于 －14.8dB，而且绝大部分低于 －16.5dB，天线增益可以达到32.196dB。通过对缝隙长度和宽度的调整，保证了天线口径面的均匀性，提高了天线的性能，降低了回波损耗。

5 结论

本文采用VBScript语言编程建模，来实现缝隙阵列的建模、仿真和计算等。极大的简化了大阵列、对缝隙的径向线缝隙天线的设计。天线面的设计是径向线缝隙天线设计中非常重要的一部分，其缝隙的参数决定了天线的极化方式、方向性、增益等。对于圆极化径向线缝隙天线来说，缝隙的排列和尺寸是天线设计的难点。VBScript语言编程建模解决了天线面设计的问题。HFSS仿真结果验证了该方法的可行性。

图3 天线面电场分布

图4 天线仿真结果

在以后的工作中，将对频偏做研究，逐步改进天线面的设计。从而达到高效率、高增益的圆极化径向线缝隙天线。

［1］Ke Lin，Huaibao Xiao，Guizhen Lu，Yiying Wang.A New Analysis Model of the Radial Line Slot Antenna［C］.IEEE International Symposiumon Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，October 2013，5:089.

［2］林哥，肖怀宝，逯贵祯，王宜颖.一种径向线缝隙天线局部模型的分析［J］.电波科学学报(增刊)，2014.

［3］王宜颖，肖怀宝，逯贵祯，等.低相对介电常数的圆极化径向线缝隙天线的研究［J］.电波科学学报(增刊)，2014.

［4］Wang，Yiying，et al.The Investigation for a Circularly Polarized Radial Line Slot Antenna with Low Side Lobes and High Gain［C］.ICMMT，May 2012，3.

［5］Goto N，Yamamoto M.Circularly polarized radialline slot antennas［C］.IECE Japan，Tech Rep，APSO －57，1980.