提高基片集成波導(dǎo)圓極化天線軸比帶寬方法概述

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì)13隊(duì) 張葉楓 郭園園 劉明飛

提高基片集成波導(dǎo)圓極化天線軸比帶寬方法概述

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì)13隊(duì) 張葉楓 郭園園 劉明飛

概述了提高基片集成波導(dǎo)圓極化天線軸比帶寬的方法。首先介紹了圓極化天線的基本知識(shí)；其次介紹了基片集成波導(dǎo)圓極化天線存在的問題；最后分析了提高基片集成波導(dǎo)圓極化天線軸比帶寬的方法，為設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)寬帶圓極化天線提供依據(jù)和指導(dǎo)。

基片集成波導(dǎo)；圓極化天線；軸比帶寬

0 引言

圓極化天線常用于雷達(dá)通信系統(tǒng)，可以解決極化失配和多徑效應(yīng)等問題。基片集成波導(dǎo)是通過在上下底面為金屬層的低損耗介質(zhì)基片上，利用金屬化通孔陣列而實(shí)現(xiàn)的[1]，作為一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，因其低剖面、易于平面集成、功率容量大等優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2009年，一種基于基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide,SIW）矩形腔的圓極化天線首次被提出[2]，該天線在頂面刻蝕十字交叉縫隙，采用共地共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，性能良好。經(jīng)過十多年的發(fā)展，基片集成波導(dǎo)圓極化天線種類繁多。

1 基片集成波導(dǎo)圓極化天線存在問題

由于基片集成波導(dǎo)的低剖面結(jié)構(gòu)和大多數(shù)結(jié)構(gòu)采用的單饋電方式，基片集成波導(dǎo)圓極化天線的軸比帶寬較低，一般在3%以下。因此，拓展基片集成波導(dǎo)圓極化天線的軸比帶寬是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了探索并取得了顯著的成果，經(jīng)歸納整理，主要是通過改變饋電方式來提高天線的軸比帶寬。改進(jìn)的提高SIW圓極化天線軸比帶寬的饋電方式主要分為以下三種：加載分支耦合器饋電法、加載枝節(jié)的帶狀線饋電法和順序旋轉(zhuǎn)饋電。其中順序旋轉(zhuǎn)饋電法又可分為三種實(shí)現(xiàn)方法：采用微帶結(jié)構(gòu)的威爾金森功分器、采用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功分器和采用同軸線-SIW結(jié)構(gòu)的功分器。已有的文獻(xiàn)表明，采用上述方法后，基片集成波導(dǎo)圓極化天線的軸比帶寬得到很大提升，下面對(duì)其分別進(jìn)行簡單的介紹。

2 提高軸比帶寬的方法

2.1 加載分支耦合器饋電法

如圖1所示，Guo Qing Luo等人利用分支耦合器對(duì)加載十字交叉縫隙的基片集成波導(dǎo)天線進(jìn)行饋電[3]，不僅增加了軸比帶寬，而且通過改變輸入端口和匹配端口即可改變天線的極化特性。如圖2所示，方舜宇[4]采用三分支定向耦合器，較傳統(tǒng)的兩分支定向耦合器有更寬的帶寬。

圖1 一種雙圓極化SIW天線

圖2 SIW環(huán)縫圓極化天線

2.2 加載枝節(jié)的帶狀線饋電法

如圖3和圖4所示，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]采用T形帶狀線對(duì)微擾的圓形貼片饋電，獲得圓極化輻射性能。文獻(xiàn)[6]通過改進(jìn)的T型帶狀線枝節(jié)對(duì)其進(jìn)行饋電，并且在天線對(duì)角線處加入對(duì)稱的空氣通孔以及在天線頂面加載寄生圓環(huán)來進(jìn)一步地提高天線的圓極化性能，天線的軸比帶寬達(dá)到18.7%。

圖3寬帶圓極化SIW天線

圖4 帶寬增強(qiáng)的SIW圓極化天線

2.3 順序旋轉(zhuǎn)饋電法

SIW圓極化陣列天線的實(shí)現(xiàn)方法主要通過對(duì)線極化單元或圓極化單元進(jìn)行相差900的順序旋轉(zhuǎn)四點(diǎn)饋電，饋電方式主要是威爾金森功分器或SIW功分器進(jìn)行等幅、相差900的旋轉(zhuǎn)饋電法。如圖5和圖6所示，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了兩款SIW圓極化天線，軸比帶寬分別達(dá)到21.53%和25.7%。而文獻(xiàn)[8]采用SIW功分器結(jié)構(gòu)對(duì)線極化單元陣列進(jìn)行饋電，軸比帶寬達(dá)到14%，天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。2016年，Qi Wu[9]等人設(shè)計(jì)了三款基于SIW技術(shù)的圓極化天線，分別為全模、半模、陣列結(jié)構(gòu)，值得一提的是，文中提出的陣列天線采用的是同軸線-SIW功分的饋電結(jié)構(gòu)，軸比帶寬達(dá)從半模單元結(jié)構(gòu)的2.3%增至7.7%，天線結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖5 基于八分之一模SIW圓極化天線

圖6 基于四分之一模SIW寬帶圓極化天線

圖7 SIW背腔圓極化陣列天線

圖8 SIW圓極化背腔陣列天線

3 總結(jié)

基片集成波導(dǎo)圓極化天線的設(shè)計(jì)種類繁多，但軸比帶寬較寬的并不多見。本文主要是對(duì)已有的拓展基片集成波導(dǎo)圓極化天線軸比帶寬的文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，從饋電方式上的不同進(jìn)行了簡單的分類介紹，為后續(xù)的基片集成波導(dǎo)圓極化寬帶天線的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

[1]郝張成．基片集成波導(dǎo)技術(shù)的研究[D]．東南大學(xué)博士學(xué)位論文,2005．

[2]Guo Q L,Zhi F H,Yaping L,et al．Development oflow Profile Cavity Backed Crossed Slot Antennas for Planar Integration[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,57(10)：2972-2979．

[3]Guo Qing Luo,Peng Li,Zhi Chang Zheng,Ling Ling Sun．A Dual Circularly Polarized Antenna with Improved Axial Ratio Bandwidth[J]．2011 China-Japan Joint Microwave Conference,2011：1-4．

[4]方舜宇．基片集成波導(dǎo)衛(wèi)星導(dǎo)航天線研究[D]．華東師范大學(xué)碩士論文,2014．

[5]Fei Gao,Fushun Zhang,Lu Lu,Yong-Chang Jiao．Wideband Circularly Polarized SIW Antenna[J]．Microwave and Optical Technology Letters,2014,56(11)：2539-2542．

[6]Tian Li,Fu-Shun Zhang,Fei Gao,Yan-Li Guo．Circularly Polarized Substrate Integrated Waveguide Cavity-Backed Antenna with Enhanced Bandwidth for Wideband Wireless Applications[J]．Progress in Electromagnetics Research C,2016,68：85-93．

[7]冉亞華．基于基片集成波導(dǎo)的圓極化天線研制[D]．成都：電子科技大學(xué),2016．

[8]D．F．Guan,C．Ding,Z．P．Qian,et,al．Broadband High Gain SIW Cavity-Backed Circular Polarized Array Antenna[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(4)：1041-1046．

[9]Qi Wu,Haiming Wang,Chen Yu,Wei Hong[J]．Low-Profile Circularly Polarized Cavity-Backed Antennas Using SIW Techniques．IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(7)：2832-2839．

張葉楓（1991—），江蘇泰州人，研究生在讀，現(xiàn)就讀于武警工程大學(xué)。

郭園園（1989—），安徽馬鞍山人，研究生，現(xiàn)就職于福建總隊(duì)通信站。

劉明飛（1989—），河南許昌人，研究生在讀，現(xiàn)就讀于武警工程大學(xué)。