基片集成波导多极化阵列天线的设计与实现

张建国，钱祖平，关东方

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)



基片集成波导多极化阵列天线的设计与实现

张建国，钱祖平，关东方

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

为了提高通信系统的通信容量，设计了一种基片集成波导(SIW)多极化阵列天线，该天线由耦合器、4个功率分配器以及2 × 2阵列天线构成，其中耦合器以及功率分配器采用SIW结构，引入四个贴片天线作为2 × 2阵列天线单元，天线输入端口采用共面波导(CPW)的转换结构。该天线可以根据它的应用需求来调整工作极化方式，实现线极化(LP)或者圆极化(CP)。通过测试加工后的天线验证了仿真数据，结果表明，该天线相对工作带宽超过5%(19.8～20.9 GHz)，端口隔离度大于17 dB，可实现增益超过10 dB。

基片集成波导；共面波导；多极化；阵列天线

0　引　言

多极化天线可以根据应用的需求来自适应选择它的极化方式，使系统的功能更加全面、易于集成。基片集成波导具有低剖面、低损耗、不易被干扰、易于集成的优点，近年来越来越多的被用在高品质的微波器件设计之中[1-2]。为了便于SIW与有源电路的连接，类似于共面波导(CPW)形式的过渡结构是必不可少的[3]，在文献[4]中，提出了HSIW-CPW结构的耦合器，以半模SIW结构实现了小型化，但是其能量损耗较大。文献[5]采用窄缝耦合机制提高耦合特性，且通过金属通孔的调节，实现了较宽的工作带宽。文献[6]提出了输出相位差90°的SIW-CPW耦合器，90°相位差的输入信号是实现圆极化的基础。

文献[7]提出了基于SIW结构的双极化天线，辐射单元为单个贴片天线，辐射效率低，且只能实现左旋圆极化和右旋圆极化两种极化方式。文献[8]提出了多极化漏波天线，极化方式多，但是漏波天线单元数量为32个，体积庞大、损耗大。文献[9]中的多极化微带天线具有极化方式多的优点，但是其输入馈电网络结构复杂，天线方向性差，旁瓣多且乱。文献[10]中的双频微带天线结构简单具有体积小的优点，但是极化方式单一。

本文采用一种新型SIW-CPW耦合器，该耦合器具有结构紧凑、耦合性好、输出信号90°相位差稳定的特性。天线的辐射部分采用阵列天线，提高天线的辐射效率、增强天线的方向性。引入功率分配器实现了左旋圆极化、右旋圆极化、φ=-45°线极化、φ=-135°线极化四种极化方式。

该阵列天线采用SIW-CPW耦合馈电，馈电网络简单且与阵列集成在同一介质基片上，实现了低剖面、易于集成的多极化阵列天线。该天线加工简单、成本低、体积小且可以与多个不同极化方式的天线传输信号，实现一天线多用，该天线在无线通信中具有广阔的应用前景。

1　天线设计

天线的结构如图1(c)所示，该天线采用单层Rogers 5880 高频介质板，其介电常数为2.2，损耗正切值为0.000 9，介质板的厚度为0.5 mm。天线由一个SIW-CPW结构的耦合器、四个功率分配器以及2×2阵列天线单元构成。

(a)天线耦合器部分结构图(b)天线辐射部分结构图

1.1SIW-CPW耦合器

图1(a)为SIW-CPW耦合器。由于基片集成波导是垂直结构，不能直接与有源电路兼容，所以额外的转换到平面传输线的结构是不可或缺的。SIW结构用作辐射部分，共面波导(CPW)作为输入匹配部分是直接与有源电路相连接。由于没有任何过渡结构，整个天线系统结构紧凑。

1.22×2阵列天线

阵列天线的辐射部分如图1(b)所示，该阵列天线由四个贴片天线单元构成，SIW-CPW结构耦合器的输出端作为该天线的馈电输入。四个贴片天线相互垂直，输入信号相互正交，由此可以实现两种相互正交的线极化方式，再加上耦合器的输出端90°的相位差，本文提出的天线可以实现双圆极化(左旋圆极化和右旋圆极化)。

该阵列天线的基本工作机制与文献[11]中的圆极化方式类似，四个功率分配器将四路信号分流为八路信号。为了保证良好的辐射效率，阵列天线单元的长度a为SIW结构宽度Wsiw的二分之一，Wtr应该远远小于SIW结构的宽度Wsiw，一般为Wsiw的十分之一。

1.3阵列天线的四种极化方式

当此天线从端口1或者端口4输入信号时，SIW-CPW结构耦合器将输入信号分流为两路信号，这两路信号强度相同，但是存在90°的相位差。2×2阵列天线由上述的两路信号馈电时，可以向外辐射两种圆极化的电磁波，具体情况为当天线从端口1输入时，辐射右旋圆极化电磁波；从端口4输入时，辐射左旋圆极化电磁波。同理，当天线从端口2或者端口3输入信号时，天线辐射两种相互正交的线极化电磁波，具体为，天线从端口2输入信号时，天线沿着φ=-45°辐射线极化电磁波；天线从端口3输入信号时，天线沿着φ=-135°辐射线极化电磁波。

2　仿真与测试结果

经过HFSS软件仿真与优化，确定天线的各个参数，如表1所示，根据仿真结果，实际加工制作了天线，天线实物如图2所示。当端口3馈电，端口1、端口2、端口4隔离时，天线极化方式为线极化。图3所示为矢量网络分析仪测得S参数曲线与仿真结果对比示意图。实测在19.6～23.8 GHz频段内，隔离度(S31、S32、S34)<-18 dB，回波损耗S11≤-10 dB，相对阻抗带宽为18.2%。实测结果与仿真结果基本吻合。

表1　馈电端口与极化方式的关系

表2　天线参数

图2　天线实物

图3　天线反射系数仿真与测试曲线

天线从端口3馈电时，天线以φ=-135°线极化的极化方式向外辐射电磁波，微波暗室测得天线从端口3馈电时的远场特性,辐射方向图的仿真与测试结果对比图如图4所示，图4(a)、图4(b)分别是中心频率为21.9 GHz时E面方向图和H面方向图。从图中可以得出这样的结论，E面和H面的主瓣宽度分别为45°和60°。图5为天线从端口3馈电时的增益仿真与测试曲线，由图可得，可实现增益为10.8 dB。

(a)E面

(b)H面

图5　天线端口3馈电时增益仿真与测试曲线

当端口1馈电，端口2、端口3、端口4隔离时，天线极化方式为右旋圆极化。图6(a)所示天线反射系数实际测试与仿真结果对比示意图。在18.9～23.6 GHz频段内，隔离度(S12、S13、S14)<-17 dB，回波损耗S11≤-10 dB，相对阻抗带宽为23.3%。图6(b)为天线从端口1馈电时的轴比测试与仿真曲线对比图，天线的3 dB轴比带宽为18.7～20.9 GHz，相对轴比带宽为10.9%。综合天线的轴比带宽和阻抗带宽，天线的实际工作频段为18.9～20.9 GHz。

(a)反射系数

(b)轴比参数

天线从端口1馈电时，天线以圆极化的极化方式向外辐射电磁波，微波暗室测得天线从端口1馈电时的远场特性，辐射方向图的仿真与测试结果对比如图7所示，图7(a)、图7(b)分别是中心频率为20.1 GHz时E面方向图和H面方向图。从图中可以得出这样的结论，E面和H面的主瓣宽度分别为40°和35°

(a)E面

(b)H面

图8为天线从端口1馈电时的增益仿真与测试曲线，由图可得，天线可实现增益为11.7 dB，天线从端口1馈电时较端口3馈电增益有所提高，这是由于四个贴片天线的功率分配更均匀，远场辐射叠加效果更明显。增益测试结果较仿真数据偏低，这是由于微波暗室测量误差以及基准喇叭天线存在相应的误差所致，这也是无法避免的。参数对比见表3。

图8　天线端口1馈电时增益仿真与测试曲线

馈电端口端口1端口2极化方式右旋圆极化φ=-45°线极化阻抗带宽18.9～23.6GHz19.2～22.8GHz轴比带宽18.7～20.9GHz-工作频率带宽18.9～20.9GHz19.2～22.8GHzE面主瓣波束宽度40°50°H面主瓣波束宽度35°60°隔离度17dB19dB增益11.7dB10.6dB馈电端口端口3端口4极化方式φ=-135°线极化左旋圆极化阻抗带宽19.6～23.8GHz18.9～23.2GHz轴比带宽-19～21.3GHz工作频率带宽19.6～23.8GHz19～21.3GHzE面主瓣波束宽度45°40°H面主瓣波束宽度60°40°隔离度18dB17dB增益10.8dB11.9dB

3　结　语

本文提出了一种基于SIW馈电结构的2×2阵列天线。该天线可以实现右旋圆极化、左旋圆极化，两种相互正交的线极化四种极化方式。SIW-GCPW导波结构耦合器作为天线圆极化工作时的馈电网络， CPW端口可以直接与有源电路相连，更便于集成。天线所有极化方式的工作带宽达到5%以上(19.8～20.9 GHz)，端口之间的隔离度高于17 dB，可实现增益超过10 dB。本文提出的阵列天线可以在单层印刷板上很容易加工实现，可以广泛应用于微波器件的设计之中。

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张建国 (1991—)男，硕士研究生，主要研究方向为天线；

钱祖平(1965—)男，教授，博士生导师，主要研究方向为电磁兼容与频谱管理、计算电磁学、微波技术、天线技术；

关东方(1989—)男，博士研究生，主要研究方向为天线。

Design and Implementation of Multi-Polarization Antenna Arrays based on Substrate Integrated Waveguide

ZHANG Jian-guo，QIAN Zu-ping，GUAN Dong-fang

(Communication Engineering Institute,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

In order to improve the communication capacity of system, a multi-polarization array antenna based on SIW (Substrate Integrated Waveguide) and composed of coupler, four power dividers and 2 × 2 antenna arrays is designed and implemented.And in this design,SIW structure is applied to coupler and power dividers,and transformation structure of CPW (Coplanar Waveguide) to antenna in putports,while four patch elements are introduced into as 2 × 2 antenna arrays units. This antenna could operate in either LP or CP (Linear or Circular Polarization), depending on the requirements of its specific application.Test on the implemented antenna indicates the simulation data,and the experiment results show that this antenna,with a relative bandwidth of over 5% (19.8-20.9GHz), and a port isolations of over 17dB,could realize a gain of over 10 dB.

SIW;CPW;multi-polarization;array antenna

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.024

2015-11-05；

2016-02-10Received date:2015-11-05；Revised date：2016-02-10

TN821+.1

A

1002-0802(2016)03-0378-05