傾斜波束微帶磁八木天線設(shè)計(jì)

張 昭，曹祥玉，李思佳

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院， 西安710077)

0 引言

八木天線自1928年問(wèn)世以來(lái)，就以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和方向性強(qiáng)的特點(diǎn)受到了學(xué)者們的深入研究。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的探索，由傳統(tǒng)八木天線演變而來(lái)的各種形式的準(zhǔn)八木天線、微帶八木天線層出不窮，這些天線具有低剖面、低損耗、高增益和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的共性。準(zhǔn)八木天線［1-3］以印刷陣子為激勵(lì)單元和引向器，截?cái)嗟慕拥匕鍨榉瓷淦?，通過(guò)改進(jìn)饋電和激勵(lì)單元的形式，可以在超寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平極化的端射特性;微帶八木天線［4-6］由矩形貼片構(gòu)成，通過(guò)不同的饋電結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)圓極化或線極化輻射，但是由于微帶天線屬于諧振型天線，以其為陣子單元構(gòu)成的微帶八木天線帶寬很窄。傳統(tǒng)八木天線是在電偶極子基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，又可稱作電八木天線，與之相對(duì)應(yīng)的磁八木天線則以磁偶極子為陣子單元，除極化方式不同外，磁八木天線也具有傳統(tǒng)電八木天線的諸多特點(diǎn)?？紤]到天線載體的金屬表面和大地表面等應(yīng)用環(huán)境中存在的鏡像作用，垂直極化波所具有的衰減損耗小的優(yōu)勢(shì)使得磁八木天線具有重要的研究?jī)r(jià)值。

基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技術(shù)利用金屬化通孔在介質(zhì)基片上以傳輸線形式實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)場(chǎng)模式的傳播［7］，其具有的結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高和損耗低等特點(diǎn)為微波天線發(fā)展提供了新的思路和方法［8-11］。文獻(xiàn)［8］將SIW和微帶天線一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)不同端口饋電取得了水平極化多波束輻射效果;文獻(xiàn)［9-10］利用SIW上下表面電場(chǎng)相位相差180°的特點(diǎn)分別將其作為饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了對(duì)數(shù)周期天線和準(zhǔn)八木天線，但二者的極化方式均平行于天線表面;文獻(xiàn)［11］通過(guò)將微帶線的不同邊接地并作為激勵(lì)單元，實(shí)現(xiàn)了磁八木天線設(shè)計(jì)，但其整體尺寸過(guò)大，達(dá)到了2.06λ×1.89λ×0.027λ。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文借鑒SIW技術(shù)和微帶八木天線設(shè)計(jì)思想，提出了一種具有垂直極化輻射特性的磁八木天線設(shè)計(jì)方法。該方法以SIW為激勵(lì)單元，并將金屬化通孔加載于微帶貼片構(gòu)成磁偶極子引向器，通過(guò)波導(dǎo)場(chǎng)在SIW和引向器間的傳播，實(shí)現(xiàn)了垂直極化傾斜波束的輻射效果，天線相對(duì)帶寬為16.15%，整體尺寸為1.58λ×0.95λ×0.032λ，實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 基于SIW的微帶磁八木天線設(shè)計(jì)

1.1 SIW設(shè)計(jì)

SIW本質(zhì)上是一種介質(zhì)填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩排緊湊的金屬化通孔構(gòu)成波導(dǎo)窄邊，上下金屬面構(gòu)成波導(dǎo)寬邊，電磁波在金屬化通孔和上下金屬面所圍成的矩形區(qū)域內(nèi)以類似于介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)的場(chǎng)模式傳輸。SIW主模為準(zhǔn)TE10模，截止頻率主要取決于兩排金屬化通孔之間的寬度，其設(shè)計(jì)步驟如下:

1)根據(jù)式(1)所示的SIW寬度Wsiw和等效矩形波導(dǎo)寬度W的關(guān)系式［12］，合理選擇Wsiw使SIW在工作頻段內(nèi)以主模方式工作。

式中:d為金屬化通孔直徑;p為相鄰金屬化通孔之間的距離。

2)為減小相鄰金屬化通孔之間的能量泄漏，使SIW主模場(chǎng)分布近似普通金屬波導(dǎo)主模場(chǎng)分布，通孔直徑d和間距p須滿足如下關(guān)系式［13］

式中:λc為SIW截止波長(zhǎng)。

3)采用錐形轉(zhuǎn)換器連接微帶線和SIW，利用仿真軟件優(yōu)化錐形轉(zhuǎn)化器的寬度和長(zhǎng)度，使微帶線輸出端在較寬頻帶內(nèi)呈現(xiàn)出50 Ω阻抗特性。

1.2 微帶磁八木天線設(shè)計(jì)

按照上述步驟，本文設(shè)計(jì)了工作于 X頻段的SIW，并將其作為激勵(lì)單元，設(shè)計(jì)了X頻段磁八木天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，優(yōu)化后的天線參數(shù)見(jiàn)表1。該天線由微帶線、錐形轉(zhuǎn)換器、SIW、耦合貼片、引向器1和引向器2構(gòu)成，介質(zhì)基板厚度為1 mm，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.000 9。微帶線和錐形轉(zhuǎn)化器兩側(cè)設(shè)置金屬化通孔，在減小能量泄漏的同時(shí)有利于微帶線的準(zhǔn)TEM模轉(zhuǎn)換為SIW的主模，即準(zhǔn)TE10模，進(jìn)而改善天線的阻抗匹配性能。引向器1和引向器2的兩個(gè)短邊及一個(gè)長(zhǎng)邊通過(guò)金屬化通孔接地，形成磁偶極子引向器，與耦合貼片一起引導(dǎo)波導(dǎo)場(chǎng)向前傳播。傳統(tǒng)八木天線激勵(lì)陣子單元為全向輻射，而在該天線的設(shè)計(jì)中，由于場(chǎng)能量在微帶線和SIW構(gòu)成的近似封閉的通道內(nèi)傳播，其傳播方向具有定向性。因此，省去了反射器的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)八木天線的設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖2給出了該天線S11、端射方向增益(y軸正向)和最大輻射方向峰值增益的仿真結(jié)果，圖3給出了8.7 GHz、9.5 GHz和10.3 GHz時(shí) yoz面(E 面)和 xoy面方向圖，可以看出天線的工作頻段為8.7 GHz～10.3 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到16.84%，在工作頻段內(nèi)，峰值增益在6.32 dBi～9.03 dBi范圍內(nèi)波動(dòng)，yoz面輻射方向圖呈現(xiàn)出垂直極化輻射特性，xoy面內(nèi)端射方向也呈現(xiàn)出垂直極化輻射特性。由于天線的接地板為有限尺寸，因此，其波束指向傾斜了34°～48°，當(dāng)接地板為無(wú)限大金屬面時(shí)，其波束指向?yàn)槎松浞较颍?1］。

圖1 天線結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 S11和增益仿真結(jié)果

圖3 輻射方向圖

表1 天線參數(shù) mm

2 仿真分析

與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的場(chǎng)分布一樣，SIW中電場(chǎng)矢量垂直于上下金屬面，將SIW沿導(dǎo)波傳播方向截?cái)嗪螅茐牧瞬▽?dǎo)結(jié)構(gòu)的封閉性，并且在截?cái)嗝嫣幮纬梢粋€(gè)能量輻射口，由此可以輻射垂直極化波。圖4給出了9.5 GHz不同相位時(shí)本文所設(shè)計(jì)的磁八木天線電場(chǎng)分布情況?？梢钥闯?，微帶線和錐形轉(zhuǎn)換器兩側(cè)的金屬化通孔將大部分能量限制在由金屬化通孔、微帶線和接地板構(gòu)成的通道內(nèi)，同時(shí)電場(chǎng)在SIW和耦合貼片、耦合貼片和引向器1的縫隙處形成了強(qiáng)分布帶，并且隨著相位變化，電場(chǎng)沿SIW-耦合貼片-引向器方向進(jìn)行傳播，進(jìn)而形成了yoz面方向圖呈傾斜輻射狀態(tài)、xoy面方向圖呈端射狀態(tài)的輻射特性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步仿真分析了引向器數(shù)量對(duì)天線輻射性能的影響，垂直極化輻射方向圖結(jié)果見(jiàn)圖5，由圖可知，隨著引向器數(shù)量的增加，天線帶寬幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，yoz面波束傾斜角度有所增加，但同時(shí)方向圖出現(xiàn)了柵瓣，起伏波動(dòng)變大。

圖4 磁八木天線電場(chǎng)分布

圖5 引向器數(shù)量對(duì)輻射性能的影響

與傳統(tǒng)八木天線不同的是，本文天線借鑒文獻(xiàn)［11］的設(shè)計(jì)方法，在激勵(lì)單元和引向器之間設(shè)置了一個(gè)耦合貼片用以調(diào)節(jié)匹配性能。從圖6a)仿真結(jié)果可以看出，耦合貼片的長(zhǎng)度Lm對(duì)天線帶寬影響很大，當(dāng)Lm=8 mm時(shí)，貼片自身諧振頻率與SIW主模頻率基本一致，SIW截?cái)嗝嫣幾杩蛊ヅ溥_(dá)到最佳效果，天線阻抗帶寬獲得最大展寬。貼片長(zhǎng)度對(duì)垂直極化方向圖的影響如圖6b)、6c)所示，它影響著激勵(lì)單元和引向器之間的電場(chǎng)相位差，反映到輻射空間則體現(xiàn)為不同長(zhǎng)度時(shí)yoz面方向圖波束傾斜角度和xoy面方向圖前后比的不同。

圖6 耦合貼片長(zhǎng)度對(duì)輻射性能的影響

文獻(xiàn)［11］采用半寬度微帶線作為激勵(lì)單元，當(dāng)其長(zhǎng)度大于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，可以通過(guò)改變寬度來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率，但是由此導(dǎo)致天線整體尺寸較大。表2列出了本文天線和文獻(xiàn)［11］中四單元八木天線的主要性能參數(shù)對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，引入工作于準(zhǔn)TE10模式的SIW作為激勵(lì)單元后，本文天線工作頻段內(nèi)峰值增益和波束傾斜角度雖有一定程度的減小，但是在剖面高度基本一致的情況下，天線帶寬擴(kuò)展了28.5%，尺寸減小了61.4%，帶寬擴(kuò)展和尺寸小型化效果顯著。此外，基于SIW結(jié)構(gòu)的饋電形式，省去了傳統(tǒng)八木天線的反射器，簡(jiǎn)化了八木天線設(shè)計(jì)過(guò)程。

表2 性能參數(shù)對(duì)比

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可靠性，加工制作了天線實(shí)物，如圖7所示，在微波暗室中對(duì)天線的S11和方向圖進(jìn)行了測(cè)試。圖8給出了天線S11參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)曲線變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致但整體向高頻略有偏移，工作頻帶為8.88 GHz～10.44 GHz，相對(duì)帶寬為16.15%。圖9分別給出了9.5 GHz時(shí)yoz面和xoy面內(nèi)垂直極化和水平極化方向圖的實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果對(duì)比圖，可以看出該天線輻射垂直極化波，但由于引向器數(shù)量和接地板大小的限制，yoz面方向圖呈現(xiàn)出波束傾斜的輻射特性，這一點(diǎn)與前文分析相吻合。

圖7 天線實(shí)物圖

圖8 S11測(cè)試結(jié)果

圖9 方向圖測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種具有垂直極化傾斜波束輻射特性的微帶磁八木天線設(shè)計(jì)方法。該方法將SIW作為激勵(lì)單元，通過(guò)在微帶線和錐形轉(zhuǎn)換器兩側(cè)設(shè)置金屬化通孔、將引向器單元通過(guò)金屬化通孔接地和附加耦合貼片等途徑，實(shí)現(xiàn)了垂直極化傾斜波束的輻射特性，改善了天線的阻抗匹配效果。該天線通過(guò)SIW實(shí)現(xiàn)八木天線的激勵(lì)單元設(shè)計(jì)，省去了傳統(tǒng)八木天線的反射器，簡(jiǎn)化了八木天線的設(shè)計(jì)過(guò)程。加工制作了天線實(shí)物，實(shí)測(cè)工作頻帶為8.88 GHz～10.44 GHz，相對(duì)帶寬16.15%，整體尺寸為1.58λ ×0.95λ ×0.032λ，帶寬擴(kuò)展和尺寸小型化效果顯著。方向圖實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合較好，證實(shí)了該天線具有垂直極化傾斜波束的輻射特性，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可靠性。該天線為與金屬載體共形的八木天線設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。

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