基于1/4模基片集成波導(dǎo)的單饋電小型圓極化天線

基于1/4模基片集成波導(dǎo)的單饋電小型圓極化天線

王倪金城徐曉文孫厚軍

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院,北京 100081)

摘要1/4模基片集成波導(dǎo)可等效為由兩個磁壁和一個電壁組成的等腰直角三角形波導(dǎo)．采用基于等腰直角三角形波導(dǎo)的空腔模式法分析了1/4?；刹▽?dǎo),得到了橫電波模和橫磁波模的表達(dá)式．基于1/4?；刹▽?dǎo)設(shè)計(jì)了一種單微帶饋電的平面小型圓極化天線．仿真結(jié)果表明:該天線可以實(shí)現(xiàn)右旋圓極化,且具有6.18 dBic的高增益和3.44%的3 dB軸比帶寬．

關(guān)鍵詞圓極化天線;1/4模基片集成波導(dǎo);單饋電

中圖分類號TN821`+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0744-05

AbstractA quarter-mode substrate integrated waveguide (QMSIW) is equivalent to an isosceles right triangular waveguide with two magnetic walls and one electric wall at the hypotenuse of the triangular. The mode solutions of the QMSIW are determined based on the cavity model of an isosceles right triangular waveguide,both transverse electric and transverse magnetic mode shapes are presented in this paper. Single microstrip-fed antenna based on QMSIW with planar compact circular polarization is proposed and designed. The simulation results show that this antenna exhibits right-handed circularly polarized radiation with a high gain of 6.18 dBic and 3 dB axial ratio bandwidth of 3.44%.

收稿日期：2014-09-07

作者簡介

Single-fed compact circularly polarized antenna based on

quarter-mode substrate integrated waveguide

WANG NiJIN ChengXU XiaowenSUN Houjun

(SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Key words circularly polarized antenna; quarter-mode substrate integrated waveguide; single-fed

引言

資助項(xiàng)目： 北京理工大學(xué)優(yōu)秀青年教師資助計(jì)劃-跨學(xué)科項(xiàng)目(3050012331524)

聯(lián)系人： 金 城 E-mail: jincheng@ieee.org

圓極化天線不但可以抑制雨霧干擾和抗多徑反射,而且可以接收任意極化的來波,另外其輻射波也可由任意極化的天線接收[1],因此被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、無線通信系統(tǒng)和電子對抗等領(lǐng)域．隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信系統(tǒng)設(shè)備的不斷減小,對天線小型化的需求逐漸增多．同時在許多特殊應(yīng)用的場合,特別是車輛、船舶、艦艇和飛機(jī)在內(nèi)的衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)中,物理空間的限制提高了對天線小型化的需求．平面小型圓極化天線既能滿足天線圓極化特性的要求,且體積小、又易與其他器件相集成,應(yīng)用廣泛．圓極化天線的主要實(shí)現(xiàn)方式有微帶圓極化天線和波導(dǎo)圓極化天線．微帶圓極化天線的一種實(shí)現(xiàn)方法是在天線的特定位置對天線的場分布進(jìn)行微擾,以實(shí)現(xiàn)激勵兩個幅度相等、具有90°相位差的正交模式[2-3]．另一種實(shí)現(xiàn)方法是通過微帶天線貼片上的十字縫隙,實(shí)現(xiàn)天線的圓極化[4]．這兩種天線雖加工簡單,但其工作帶寬都很窄．背腔式圓極化天線具有好的輻射特性[5],但天線背腔的高度要1/4波長,這大大限制了背腔的應(yīng)用范圍,且背腔的制作復(fù)雜,同時這種天線的帶寬也很窄．

基于基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide, SIW)的天線與微帶天線相比具有低損耗、高功率容量、高品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)波導(dǎo)天線相比結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于集成且加工成本低[6]．1/4模SIW(Quarter-Mode SIW, QMSIW)保留了原有基片集成波導(dǎo)的特性,且面積縮小為原有SIW的1/4．

SIW用于實(shí)現(xiàn)圓極化天線．文獻(xiàn)[7]提出了一種基于SIW的背腔式十字縫隙天線,采用TE12模,通過調(diào)節(jié)縫隙的兩臂長度,實(shí)現(xiàn)90o相位差,形成了軸比帶寬為0.8%的圓極化天線．文獻(xiàn)[8]基于半模SIW(Half-Mode SIW, HMSIW)設(shè)計(jì)了一種低剖面背腔式縫隙圓極化天線,通過調(diào)節(jié)縫隙長度,工作在TE12模,實(shí)現(xiàn)了1.74%的軸比帶寬．文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了基于QMSIW工作在TE22模的圓極化天線,該天線的軸比帶寬為2.8%．

本文研究基于QMSIW的平面小型圓極化天線．分析了QMSIW的理論特性,并基于其特性,設(shè)計(jì)了一種便于集成與加工的單微帶饋電的QMSIW圓極化天線．仿真結(jié)果表明該天線可實(shí)現(xiàn)6.18 dBic的高增益和3.44%的3 dB軸比帶寬．

1理論分析

1.11/4?；刹▽?dǎo)(QMSIW)

QMSIW是在SIW的基礎(chǔ)上,沿著SIW的中心兩個對稱面相切所得．由于SIW的寬高比很大,所以切面處可以等效為磁壁．將SIW沿中間的等效磁壁切成兩部分,可以得到HMSIW．沿HMSIW中間的等效磁壁進(jìn)行第二次相切可形成QMSIW．QMSIW保留了原有SIW場分布的1/4[9]．

QMSIW可等效為由兩個磁壁和一個電壁組成的等腰直角三角形波導(dǎo)．一排具有恰當(dāng)孔半徑和孔間距的金屬化通孔可視為電壁,沿SIW對稱面相切所得的邊可視為等效磁壁．采用模式法分析QMSIW．此三角形波導(dǎo)中TE模的模函數(shù)為[10-11]

(1)

式中,m,n是不為零的整數(shù)．在此三角形波導(dǎo)中,滿足邊界條件的TM模的模函數(shù)為

(2)

式中,m≠n．

TM模和該等腰直角三角形波導(dǎo)的主模都是TM01/TM10模．該三角形波導(dǎo)截止波數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

1.2基于QMSIW的圓極化天線設(shè)計(jì)

基于QMSIW的理論分析,設(shè)計(jì)了一種由四個QMSIW單元組成的圓極化天線,天線結(jié)構(gòu)如圖1所示．天線采用有利于集成與加工的微帶饋電方式．設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示．天線基片采用厚度為1.57 mm,相對介電常數(shù)εr=2.2,損耗角正切tanδ=0.001 1的Rogers RT5880介質(zhì)基板．

圖1　基于四個QMSIW單元的圓極化天線結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)天線尺寸L1L2L3GP1P2P3P4av1v2dsv3.82.61.213.311.7191.918.80.660.670.510.5

為了實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射,將微帶饋電的位置選在其中一個QMSIW單元的斜角處,以確保在QMSIW子陣列中激勵出相位相差90°的電場分量[9]．四個QMSIW單元間,采用貼片進(jìn)行電感耦合．通過調(diào)節(jié)貼片的長度L1、L2和L3,使每個QMSIW單元的電場幅值相等,從而整個天線形成了兩個幅值相等、相位相差90°且相互正交的電場分量,產(chǎn)生圓極化波．

在設(shè)計(jì)該圓極化天線時,在微帶線饋電附近加入了不同數(shù)量的金屬化通孔,利用通孔的感性,調(diào)節(jié)天線阻抗．不同數(shù)量的通孔對天線阻抗的影響如圖2所示．從圖2可以看出,隨著通孔數(shù)量的增加,天線的反射系數(shù)逐漸變小．通孔數(shù)量的改變同時對天線的軸比也產(chǎn)生影響,圖3給出了軸比隨通孔數(shù)量的變化．結(jié)合通孔對反射系數(shù)和軸比的共同影響,選擇在饋電附近加入兩排半通孔,以提高天線的輻射特性．

圖2　通孔數(shù)量對天線反射系數(shù)的影響

圖3　通孔數(shù)量對天線軸比的影響

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)的圓極化天線的仿真反射系數(shù)和增益如圖4所示．小于-10 dB的阻抗帶寬為5.14～5.42 GHz,最大增益為6.18 dBic．圖5顯示了天線的軸比和輻射效率．天線的3 dB軸比帶寬為從5.14 GHz到5.32 GHz的3.44%,最大輻射效率為99.05%．5.2 GHz的軸比為1.15 dB,增益為6.17 dBic,ANSYS-HFSS軟件仿真的輻射效率為98.76%,其空間軸比的特性如圖6所示．小于3 dB的空間軸比從-38°到23°覆蓋整個空間61°,小于6 dB的空間軸比從-109°到33°覆蓋整個空間142°．因?yàn)檩S比小于3 dB為圓極化,小于6 dB為橢圓極化,繼續(xù)調(diào)整該天線的結(jié)構(gòu)參數(shù),可進(jìn)一步提高此天線的3 dB軸比空域覆蓋特性．5.2 GHz的φ=0°、φ=45°和φ=90°的切面輻射方向圖如圖7(a)、(b)和(c)所示．仿真結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的QMSIW天線可實(shí)現(xiàn)右旋圓極化．

圖4　QMSIW圓極化天線仿真反射系數(shù)和增益

表2展示了之前文獻(xiàn)中的天線與文中所設(shè)計(jì)天線之間的性能比較．設(shè)計(jì)天線的軸比帶寬和增益相比之前的文獻(xiàn)都有很大提高．文中設(shè)計(jì)的天線采用單微帶饋電即可實(shí)現(xiàn)好的天線圓極化性能,與使用復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線的圓極化相比,單饋電天線體積更小、加工更方便,且微帶饋電較同軸饋電更易集成．

圖5　QMSIW圓極化天線仿真軸比和輻射效率

圖6　QMSIW圓極化天線仿真軸比的空間分布特性

(a) φ=0°

(b) φ=45°

(c) φ=90° 圖7　不同φ時的QMSIW圓極化天線仿真輻射方向圖

圓極化天線結(jié)構(gòu)3dB軸比帶寬/%頻率/GHz增益/dBic對稱式開槽貼片[12]0.492.44.3十字縫隙背腔式SIW[7]0.810.16.15開槽方形貼片[13]0.842.2622.8背腔式HMSIW[8]1.748.754.87本文所提QMSIW天線3.445.26.17

3結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種采用單微帶饋電的基于1/4模基片集成波導(dǎo)的平面小型圓極化天線．使用基于空腔模型的模式法對由兩個磁壁和一個電壁組成的等腰直角三角形波導(dǎo)進(jìn)行分析．基于理論分析設(shè)計(jì)出的由四個QMSIW單元組成的圓極化天線,仿真結(jié)果表明該天線具有高增益、高輻射效率和好的軸比帶寬的輻射特性,且天線結(jié)構(gòu)易于加工和集成,滿足雷達(dá)、通信系統(tǒng)等對天線的應(yīng)用需求．

參考文獻(xiàn)

[1] 楊倩, 張小苗, 白雪, 等. 5.8GHz高增益圓極化方形四環(huán)天線的研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 25(2): 368-372.

YANG Qian, ZHANG Xiaomiao, BAI Xue, et al. Investigation of 5.8 GHz circularly polarized four-loop antenna for gain enhancement[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2010, 25(2): 368-372. (in Chinese)

[2] SHARMA P, GUPTA K. Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1983, 31(6): 949-955.

[3] 洪濤, 龔書喜, 劉英, 等. 圓極化微帶貼片天線輻射和散射特性研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 25(2): 287-290.

HONG Tao, GONG Shuxi, LIU Ying, et al. Radiation and scattering properties of circularly polarized microstrip antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2010, 25(2): 287-290. (in Chinese)

[4] HUANG C Y, WONG K L. Coplanar waveguide-fed circularly polarized microstrip antenna[J]. IEEE Transcations on Antennas and Propagation, 2000, 48(2): 328-329.

[5] LI Quan, SHEN Zhongxiang. An inverted microstrip-fed cavity-backed slot antenna for circular polarization[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2002, 1: 190-192.

[6] 徐俊峰, 洪偉, 蒯振起, 等. 平衡饋電基片集成波導(dǎo)縫隙陣列全向天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 23(2): 207-210.

XU Junfeng, HONG Wei, KUAI Zhenqi, et al. Substrate integrated waveguide (SIW) slot array omni-directional antenna with balanced feeding[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(2): 207-210. (in Chinese)

[7] LUO Guoqing, HU Zhifang, LIANG Yaping, et al. Development of low profile cavity backed crossed slot antennas for planar integration[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, 57(10): 2972-2979.

[8] RAZAVI S A, NESHATI M H. Development of a low profile circularly polarized cavity backed antenna using HMSIW technique[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(3): 1041-1047.

[9] JIN Cheng, LI Rui, ALPHONES A, et al. Quarter-mode substrate integrated waveguide and its application to antennas design[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(6): 2921-2928.

[10]JIN Cheng, SHEN Zhongxiang, LI Rui, et al. Compact circularly polarized antenna based on quarter-mode substrate integrated waveguide sub-array[J]. IEEE Transcations on Antennas and Propagation, 2014, 62(2): 963-967.

[11]JIN Cheng, SHEN Zhongxiang. Compact triple-mode filter based on quarter-mode substrate integrated waveguide[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2014, 62(1): 37-45.

[12]NASIMUDDIN, QING Xianming, CHEN Zhining. Compact asymmetric-slit microstrip antennas for circular polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(1): 285-288.

[13]CHEN W S, WU C K, WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001, 49(3): 340-342.

王倪(1987-),女,北京人,北京理工大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、電磁場數(shù)值仿真．

金城(1984-),男,河北人,北京理工大學(xué)副教授,博士,主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ɡ走_(dá)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、天線設(shè)計(jì)等．

徐曉文(1957-),男,安徽人,博士后,北京理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡姶欧抡媾c天線技術(shù)．

孫厚軍(1969-),男,山東人,北京理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)等.

劉玉梅, 陳祥明, 趙振維, 等. 高精度折光修正系統(tǒng)射線描跡快速算法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(4):749-753. doi:10.13443/j.cjors. 2014090102

LIU Yumei, CHEN Xiangming, ZHAO Zhenwei, et al. High-precision fast ray-tracing algorithm used in optical wave refraction error correction system[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(4):749-753. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014090102