W波段双圆极化天线研究与设计

修韬，詹学丰，姜航，程潇鹤，姚远

（1.北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876；2.中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 210000）

0 引言

随着移动互联网的进一步发展，移动数据业务呈爆炸式增长，已经全面商用的第四代移动通信技术（4G）及初步商用的第五代移动通信技术（5G）难以满足未来的现实需求。毫米波（30—300 GHz）技术由于其具有丰富的频谱资源，是实现超高速无线通信及基站无线回传的重要手段，其中的毫米波天线作为无线通信系统中的重要器件，也成为了当下的研究热点[1-3]。

与单极化天线相比[4-5]，双极化天线由于其具有空间分集特性，可以进一步增加通信系统容量。同时，圆极化天线可以大大提升天线的定向稳定性和灵活性，且不会因极化失配而造成性能损失，在未来的移动通信业务中具有更广阔的应用前景[6-11]。文献[6-8]中利用微带或SIW结构实现圆极化，但存在一定的介质损耗，较难应用于高频毫米波的天线和馈源系统设计；文献[9-10]中将超材料表面插入喇叭天线中实现圆极化特性，但加工难度和成本较高；文献[11]介绍的双极化天线工作频段较低且无加工测试结果。本文介绍了一种基于隔板极化器和喇叭天线的W波段双圆极化天线，具有小型化、宽带、双圆极化等优点，同时通过引入电磁带隙结构有效减小了装配误差对天线性能的影响。通过仿真和加工实测验证了其结构的有效性，测量结果与仿真结果吻合度高，具有良好的电气性能。

1 所设计的圆极化天线原理与结构

1.1 隔板极化器原理与设计

极化器是天线实现圆极化的关键器件，其中隔板极化器由于其具有结构简单、易于加工等特性被广泛应用于圆极化天线的设计中[12-14]。隔板极化器主要由方波导和位于方波导中间位置的渐变金属隔板组成，如图1所示，其矩形波导输入端口为Port1和Port2，公共端口为Port3。

图1 隔板极化器结构示意图

利用波导中的电磁传播模式进行分析，如图2所示，当端口Port1和Port2进行等幅反相激励时（即相位差为180°），则Port3输出电场方向与输入电场垂直；当端口Port1和Port2进行等幅同相激励时（即相位差为0°），则Port3的电场方向和激励电场方向一致。

图2 不同相位激励下的三个截面电场分布图

根据矢量叠加原理，当Ⅰ和Ⅱ或Ⅰ和Ⅲ共同激励时，即可以抵消一个端口的输入，此时方波导中会同时存在横向和纵向两个正交的电磁场，即满足了圆极化波所需要的两个空间上正交的线极化波的条件。

由于所激励的横向电磁场和纵向电磁场具有不同的相位，因此可通过调节渐变隔板尺寸使两路信号具有90°的相位差，从而满足形成圆极化波的相位正交条件。利用HFSS仿真优化，得出最终的隔板尺寸，如表1所示：

表1 极化器参数尺寸（单位：mm）

隔板极化器仿真性能如图3所示，两个端口的反射系数在全频带均小于-17 dB，具有良好的匹配性能。端口传输系数S21和S12均小于-17.5 dB，具有良好的隔离性能。

图3 极化器仿真结果

1.2 极化器与天线连接设计

由于毫米波圆极化天线结构较为复杂，在加工过程中需将极化器与天线进行分块处理，在连接处可能存在微小缝隙，影响天线整体性能。因此，本设计充分考虑毫米波圆极化天线加工难题，引入了电磁带隙结构减小连接处对天线性能的影响。典型电磁带隙结构由两块金属板和周期性结构单元组成，如图4所示。该周期性销钉结构与顶层金属板之间可以存在一定的空气间隙，当空气间隙尺寸小于四分之一波长时，可等效为人工磁导体，电磁波无法传输；当空气间隙尺寸大于四分之一波长时，可等效为理想导体，电磁波可以正常传输[15-16]。

基于此原理，利用电磁带隙结构在方波导和转接头之间进行连接部分设计以解决连接产生的能量泄露问题。取金属钉高h=0.51 mm，宽s=0.34 mm，周期间隔宽g=0.2 mm，并对装配误差ga进行仿真分析，该电磁带隙结构的损耗特性与电场分布如图4所示，其装配误差小于80 μm时，该结构的连接与传输损耗均小于0.26 dB，可以有效避免不同块连接过程中产生的能量泄露。

图4 连接结构阻带特性及电场分布图

1.3 喇叭天线原理与设计

由于喇叭天线具有宽带、低副瓣、匹配好等优点，较为适合应用于毫米波天线设计中[14-16]。此设计采用sin^p型喇叭和线性喇叭级联的形式引入更多的可调参数，以便于优化喇叭天线的各项指标，主要结构与参数如图5所示：

图5 喇叭天线结构示意图

利用Champ软件对喇叭天线模型进行优化设计，以主极化与交叉极化电平差最大，且主瓣波束在20°增益衰减12 dB为优化目标。经过有限次的迭代优化，可得到喇叭天线的最终尺寸，如表2所示：

表2 喇叭天线参数尺寸 mm

所优化的喇叭天线与极化器连接后的仿真结果如图6～图8所示，两个端口反射系数均小于-17 dB，且隔离度大于12.5 dB，较单独极化器仿真结果稍有恶化。端口产生的圆极化波的轴比均小于1.1，具有良好的圆极化性能；在97.5 GHz和106.5 GHz两个频点的方向图中-12 dB半张角约为20°，且在张角范围内轴比均小于3 dB，吻合优化目标；主极化增益为19.85±0.45 dBic，交叉极化鉴别度优于25 dB，具有良好的增益稳定度。

图6 喇叭天线的S参数与轴比

图7 喇叭天线的增益曲线

图8 喇叭天线左端口（左图）与右端口（右图）的归一化增益和轴比方向图

2 圆极化天线加工与实测

为了验证所设计的天线的性能，对该天线进行了加工和测试，该天线的结构模型与实物图如图9所示。

图9 双圆极化喇叭天线的模型与加工实物图

图10和图11为天线S参数与增益的仿真和实测结果对比。其中，S参数和增益的实测结果和仿真结果基本吻合，在95—110 GHz范围内两个端口的回波损耗均优于15 dB，且端口隔离度大于12.5 dB，增益为19.5 ±2.5 dBic。

图10 天线的S参数

图11 喇叭的增益曲线

图12为该天线在95 GHz、97.5 GHz、100 GHz和104 GHz、106.5 GHz、109 GHz六个频点仿真与实测的xoz面归一化增益方向图。右旋圆极化端口在95—106.5 GHz范围内，增益方向图和轴比与仿真结果基本吻合，但在109 GHz处的电场强度稍有恶化；左旋圆极化端口在整个频率范围内实测的增益方向图和轴比与仿真结果能较好吻合。

图12 天线的仿真及实测远场方向图

3 结束语

本文介绍了一种基于隔板极化器的W波段双圆极化喇叭天线，并结合电磁带隙结构有效减小了装配误差对天线整体性能的影响。天线实测结果显示其工作带宽覆盖95—110 GHz，回波损耗优于15 dB，隔离度大于12.5 dB，轴比小于1.2，增益为19.5±2.5 dBic，交叉极化鉴别度优于25 dB，具有良好的电气性能，可以有效应用于W波段通信系统中，为毫米波在移动通信中的超高速率通信和基站回传等方面应用提供了重要支持。