一种基于SIW结构的超宽带圆极化天线设计

姜震华，吕文力，况学伟，史晓雄，高锐达

(1.南京电子技术研究所,江苏 南京 210039；2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101；3.解放军63612部队，甘肃 酒泉 736200)

0 引 言

圆极化天线因其抗多径衰落、抑制雨雾干扰等显著优势，在雷达、卫星通信、导航和无线通信系统中应用广泛[1]。现代无线通信的飞速发展，对传输速率有了进一步的需求，超宽带技术因此得到了快速发展，超宽带天线[2]是其中的关键装置之一。

基片集成波导(SIW)与传统金属波导相比，具有结构紧凑、体积小、易于集成等特点[3]，近年来在超宽带天线设计中受到越来越多的关注[4]。

本文提出了一款可用于毫米波频段的基于SIW结构的超宽带圆极化天线，天线采用同轴馈电，使用阶梯渐变圆极化器，实现天线辐射波的圆极化；通过引入背腔设计，极大展宽了天线的圆极化带宽。该天线可实现在主辐射方向上的稳定辐射。

1 基于SIW的圆极化喇叭天线设计

本文所设计的圆极化喇叭天线典型结构如图1所示，该天线由双层介质板组成，馈电点设置在上层，采用同轴结构进行馈电。2层介质板中间大多数区域为金属层。

图1 圆极化天线典型结构图

基片集成波导技术是在双面覆有金属层的介质基板上打有2排金属化垂直过孔阵列，利用该2排金属化过孔阵列模拟波导窄壁。通过在上下2层介质中均匀布置金属通孔，形成SIW谐振腔，使电磁能量能在其中高效传输，两侧金属通孔之间距离为W。

辐射喇叭被设计在天线末端，其倾角为α，长度为La。激励腔与辐射喇叭之间设置了长度为L2的圆极化器，通过同轴馈电所激励起的主模TE10模的电磁波，在通过圆极化器后，出现TE10和TE012种模式的电磁波，在末端合成后形成圆极化波，向外辐射。为使TE01模的电磁波能在介质中顺利传输，极化器的2侧采用了金属传输腔而不是金属化通孔传输腔。整个天线由2层厚度为h、介电常数为2.2、损耗角正切为0.000 9的介质及上下和中间的金属层构成。

由于圆极化器关于2层介质中的金属层呈对称结构，其端口定义示意图如图2所示。本文所设计的天线辐射圆极化波的理论分析可以通过奇偶模分析完成。

图2 端口定义示意图

端口1和2同时被激励，当使用偶次模激励[5]时，由于金属隔层的上下壁的电流大小相等、方向相反，壁电流在隔层的阶梯处不会被切断，2个分支端口的矩形波导在不连续处所产生的电流形成回路，不会对输入的场产生影响，此时，辐射端口响应仍然是TE10模。

端口1和2同时被激励，当使用奇次模激励时，在金属隔层的上下壁产生大小和方向都相同的壁电流，壁电流在隔层的不连续处被切断，产生模式的转换和反射效应，此时，辐射端口响应是TE01模。

奇次模激励和偶次模激励所产生的响应之和等价于端口1用幅度为2的模进行激励，这样就会在端口3处产生圆极化。

综上所述，当端口1用TE10模式进行激励时，端口3的输出为：

E3=ETE10+ETE01=ejθ1ay+1-τejθ2ax

(1)

通过奇偶模激励法可以看出，在端口3输出时，产生了2个正交的具有相位差的分量，圆极化波产生过程如图3所示。当两相位差成为90°时就形成了圆极化波，这就是圆极化波产生的基础。

2 基于SIW的圆极化喇叭天线性能分析

该天线的阻抗带宽性能如图4所示，在16～22 GHz的频带内，均可实现良好的电磁能量辐射，所以该天线的阻抗带宽达到31%。

图4 天线阻抗带宽

如图5所示，在主辐射方向上(φ=0 °，θ=0°)，在17.93～18.92 GHz的频带范围内，所辐射的电磁波轴比小于3 dB，因此，该天线的圆极化带宽可以达到5.2%。

图5 天线圆极化带宽

3 圆极化天线设计改进

上节所示的天线，虽然阻抗带宽较宽，但圆极化带宽显窄，为拓展天线的圆极化带宽，考虑将天线结构从上下两介质腔等长变成底层介质腔稍长，从而形成背腔结构。通过对天线模型的仿真优化，本文所设计的圆极化天线的最终结构尺寸为:L1=10 mm，d2=0.65 mm，d=0.45 mm，h=4.35 mm，w=7.05 mm，α=32.6°，L2=10.08 mm，L3=9.66 mm，L4=6.18 mm，L5=3.71 mm，h1=1.52 mm，h2=2.13 mm，h3=1.38 mm，h4=1.1 mm。

引入背腔结构后，天线的圆极化性能如图6所示，其中轴比1表示未引入背腔结构的圆极化带宽，轴比2表示引入背腔结构后天线的圆极化带宽。

图6 圆极化性能对比图

从图6可以发现，背腔结构的引入将天线的圆极化带宽从5.2%提升到19.2%，极大提升了天线的圆极化辐射性能。

引入背腔结构的圆极化天线，其在主辐射方向(φ=0°,θ=0°)上具有较稳定的辐射增益，具体通带内增益值曲线如图7所示。

图7 天线增益图

改进后的天线主辐射方向上的方向图如图8所示。三维方向图如图9所示。

图8 天线方向图

图9 天线3D方向图

4 结束语

圆极化天线在通信和探测等诸多领域都具有重要的应用潜力，本文设计了一种基于SIW的超宽带圆极化喇叭天线。首先通过奇偶模分析，解释了其圆极化波的产生机理，接着通过在底层介质腔增加背腔结构，提升了该天线的阻抗及圆极化带宽，使得阻抗带宽达到31.1%，圆极化带宽达到19.2%。该天线在主辐射方向上增益稳定，在中心工作频点处增益可达到9.1 dB。