基片集成波導多極化陣列天線的設計與實現

張建國，錢祖平，關東方

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

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基片集成波導多極化陣列天線的設計與實現

張建國，錢祖平，關東方

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

為了提高通信系統(tǒng)的通信容量，設計了一種基片集成波導(SIW)多極化陣列天線，該天線由耦合器、4個功率分配器以及2 × 2陣列天線構成，其中耦合器以及功率分配器采用SIW結構，引入四個貼片天線作為2 × 2陣列天線單元，天線輸入端口采用共面波導(CPW)的轉換結構。該天線可以根據它的應用需求來調整工作極化方式，實現線極化(LP)或者圓極化(CP)。通過測試加工后的天線驗證了仿真數據，結果表明，該天線相對工作帶寬超過5%(19.8～20.9 GHz)，端口隔離度大于17 dB，可實現增益超過10 dB。

基片集成波導；共面波導；多極化；陣列天線

0　引　言

多極化天線可以根據應用的需求來自適應選擇它的極化方式，使系統(tǒng)的功能更加全面、易于集成?；刹▽Ь哂械推拭妗⒌蛽p耗、不易被干擾、易于集成的優(yōu)點，近年來越來越多的被用在高品質的微波器件設計之中[1-2]。為了便于SIW與有源電路的連接，類似于共面波導(CPW)形式的過渡結構是必不可少的[3]，在文獻[4]中，提出了HSIW-CPW結構的耦合器，以半模SIW結構實現了小型化，但是其能量損耗較大。文獻[5]采用窄縫耦合機制提高耦合特性，且通過金屬通孔的調節(jié)，實現了較寬的工作帶寬。文獻[6]提出了輸出相位差90°的SIW-CPW耦合器，90°相位差的輸入信號是實現圓極化的基礎。

文獻[7]提出了基于SIW結構的雙極化天線，輻射單元為單個貼片天線，輻射效率低，且只能實現左旋圓極化和右旋圓極化兩種極化方式。文獻[8]提出了多極化漏波天線，極化方式多，但是漏波天線單元數量為32個，體積龐大、損耗大。文獻[9]中的多極化微帶天線具有極化方式多的優(yōu)點，但是其輸入饋電網絡結構復雜，天線方向性差，旁瓣多且亂。文獻[10]中的雙頻微帶天線結構簡單具有體積小的優(yōu)點，但是極化方式單一。

本文采用一種新型SIW-CPW耦合器，該耦合器具有結構緊湊、耦合性好、輸出信號90°相位差穩(wěn)定的特性。天線的輻射部分采用陣列天線，提高天線的輻射效率、增強天線的方向性。引入功率分配器實現了左旋圓極化、右旋圓極化、φ=-45°線極化、φ=-135°線極化四種極化方式。

該陣列天線采用SIW-CPW耦合饋電，饋電網絡簡單且與陣列集成在同一介質基片上，實現了低剖面、易于集成的多極化陣列天線。該天線加工簡單、成本低、體積小且可以與多個不同極化方式的天線傳輸信號，實現一天線多用，該天線在無線通信中具有廣闊的應用前景。

1　天線設計

天線的結構如圖1(c)所示，該天線采用單層Rogers 5880 高頻介質板，其介電常數為2.2，損耗正切值為0.000 9，介質板的厚度為0.5 mm。天線由一個SIW-CPW結構的耦合器、四個功率分配器以及2×2陣列天線單元構成。

(a)天線耦合器部分結構圖(b)天線輻射部分結構圖

1.1SIW-CPW耦合器

圖1(a)為SIW-CPW耦合器。由于基片集成波導是垂直結構，不能直接與有源電路兼容，所以額外的轉換到平面?zhèn)鬏斁€的結構是不可或缺的。SIW結構用作輻射部分，共面波導(CPW)作為輸入匹配部分是直接與有源電路相連接。由于沒有任何過渡結構，整個天線系統(tǒng)結構緊湊。

1.22×2陣列天線

陣列天線的輻射部分如圖1(b)所示，該陣列天線由四個貼片天線單元構成，SIW-CPW結構耦合器的輸出端作為該天線的饋電輸入。四個貼片天線相互垂直，輸入信號相互正交，由此可以實現兩種相互正交的線極化方式，再加上耦合器的輸出端90°的相位差，本文提出的天線可以實現雙圓極化(左旋圓極化和右旋圓極化)。

該陣列天線的基本工作機制與文獻[11]中的圓極化方式類似，四個功率分配器將四路信號分流為八路信號。為了保證良好的輻射效率，陣列天線單元的長度a為SIW結構寬度Wsiw的二分之一，Wtr應該遠遠小于SIW結構的寬度Wsiw，一般為Wsiw的十分之一。

1.3陣列天線的四種極化方式

當此天線從端口1或者端口4輸入信號時，SIW-CPW結構耦合器將輸入信號分流為兩路信號，這兩路信號強度相同，但是存在90°的相位差。2×2陣列天線由上述的兩路信號饋電時，可以向外輻射兩種圓極化的電磁波，具體情況為當天線從端口1輸入時，輻射右旋圓極化電磁波；從端口4輸入時，輻射左旋圓極化電磁波。同理，當天線從端口2或者端口3輸入信號時，天線輻射兩種相互正交的線極化電磁波，具體為，天線從端口2輸入信號時，天線沿著φ=-45°輻射線極化電磁波；天線從端口3輸入信號時，天線沿著φ=-135°輻射線極化電磁波。

2　仿真與測試結果

經過HFSS軟件仿真與優(yōu)化，確定天線的各個參數，如表1所示，根據仿真結果，實際加工制作了天線，天線實物如圖2所示。當端口3饋電，端口1、端口2、端口4隔離時，天線極化方式為線極化。圖3所示為矢量網絡分析儀測得S參數曲線與仿真結果對比示意圖。實測在19.6～23.8 GHz頻段內，隔離度(S31、S32、S34)<-18 dB，回波損耗S11≤-10 dB，相對阻抗帶寬為18.2%。實測結果與仿真結果基本吻合。

表1　饋電端口與極化方式的關系

表2　天線參數

圖2　天線實物

圖3　天線反射系數仿真與測試曲線

天線從端口3饋電時，天線以φ=-135°線極化的極化方式向外輻射電磁波，微波暗室測得天線從端口3饋電時的遠場特性,輻射方向圖的仿真與測試結果對比圖如圖4所示，圖4(a)、圖4(b)分別是中心頻率為21.9 GHz時E面方向圖和H面方向圖。從圖中可以得出這樣的結論，E面和H面的主瓣寬度分別為45°和60°。圖5為天線從端口3饋電時的增益仿真與測試曲線，由圖可得，可實現增益為10.8 dB。

(a)E面

(b)H面

圖5　天線端口3饋電時增益仿真與測試曲線

當端口1饋電，端口2、端口3、端口4隔離時，天線極化方式為右旋圓極化。圖6(a)所示天線反射系數實際測試與仿真結果對比示意圖。在18.9～23.6 GHz頻段內，隔離度(S12、S13、S14)<-17 dB，回波損耗S11≤-10 dB，相對阻抗帶寬為23.3%。圖6(b)為天線從端口1饋電時的軸比測試與仿真曲線對比圖，天線的3 dB軸比帶寬為18.7～20.9 GHz，相對軸比帶寬為10.9%。綜合天線的軸比帶寬和阻抗帶寬，天線的實際工作頻段為18.9～20.9 GHz。

(a)反射系數

(b)軸比參數

天線從端口1饋電時，天線以圓極化的極化方式向外輻射電磁波，微波暗室測得天線從端口1饋電時的遠場特性，輻射方向圖的仿真與測試結果對比如圖7所示，圖7(a)、圖7(b)分別是中心頻率為20.1 GHz時E面方向圖和H面方向圖。從圖中可以得出這樣的結論，E面和H面的主瓣寬度分別為40°和35°

(a)E面

(b)H面

圖8為天線從端口1饋電時的增益仿真與測試曲線，由圖可得，天線可實現增益為11.7 dB，天線從端口1饋電時較端口3饋電增益有所提高，這是由于四個貼片天線的功率分配更均勻，遠場輻射疊加效果更明顯。增益測試結果較仿真數據偏低，這是由于微波暗室測量誤差以及基準喇叭天線存在相應的誤差所致，這也是無法避免的。參數對比見表3。

圖8　天線端口1饋電時增益仿真與測試曲線

饋電端口端口1端口2極化方式右旋圓極化φ=-45°線極化阻抗帶寬18.9～23.6GHz19.2～22.8GHz軸比帶寬18.7～20.9GHz-工作頻率帶寬18.9～20.9GHz19.2～22.8GHzE面主瓣波束寬度40°50°H面主瓣波束寬度35°60°隔離度17dB19dB增益11.7dB10.6dB饋電端口端口3端口4極化方式φ=-135°線極化左旋圓極化阻抗帶寬19.6～23.8GHz18.9～23.2GHz軸比帶寬-19～21.3GHz工作頻率帶寬19.6～23.8GHz19～21.3GHzE面主瓣波束寬度45°40°H面主瓣波束寬度60°40°隔離度18dB17dB增益10.8dB11.9dB

3　結　語

本文提出了一種基于SIW饋電結構的2×2陣列天線。該天線可以實現右旋圓極化、左旋圓極化，兩種相互正交的線極化四種極化方式。SIW-GCPW導波結構耦合器作為天線圓極化工作時的饋電網絡， CPW端口可以直接與有源電路相連，更便于集成。天線所有極化方式的工作帶寬達到5%以上(19.8～20.9 GHz)，端口之間的隔離度高于17 dB，可實現增益超過10 dB。本文提出的陣列天線可以在單層印刷板上很容易加工實現，可以廣泛應用于微波器件的設計之中。

[1]Djerafi and WU K：Super-Compact Substrate Integrated Waveguide Cruciform Directional Coupler[J].IEEE Microw. Wireless Component Letters,2007,17(11):757-759.

[2]Farzaneh T, David D, Jens B, and WU K: Substrate-Integrated Waveguide Transitions to Planar Transmission-Line Technologies[J] IEEE MTT-S International, 2012,1(3):17-22.

[3]Kazemi R, Fathy A E, YANG S N and Sadeghzadeh R. A: Development of an Ultra-Wide Band GCPW to SIW Transition[C]//Proc. Radio Wireless Symposium (RWS), 2012:171-174.

[4]GUAN D F, QIAN Z P, ZHANG Y S, CAI Y, and CAO W Q: Hybrid SIW-GCPW Narrow-Wall 3 dB Coupler [J]. Frequenz, 2013, 67(7):209-212.

[5]GUAN D F, QIAN Z P, ZHANG Y S, and CAI Y: Hybrid SIW-GCPW Cruciform Directional Coupler[J].Frequenz, 2014, 68(1):39-42.

[6]GUAN D F, QIAN Z P, ZHANG Y S, CAI Y, and CAO W Q: A Forward Narrow-Wall Double-Slot 3 dB Coupler based on Hybrid SIW-GCPW Guided-Wave Structure[J].Electromagnet Waves Appl. 2014, 28(3):1-6.

[7]ZHANG T, ZHANG Y, CAO L N, HONG W, WU K: Single-Layer Wideband Circularly Polarized Patch Antennas for Q-Band Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(1): 409-414.

[8]CHEN Y J, HONG W, WU K: Millimeter-Wave Half Mode Substrate Integrated Waveguide Frequency Scanning Antenna with Quadri-Polarization[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(6): 1848-1855.

[9]CHEN Y J, CHEN F C: 60-GHz Polarization- Adjustable Antenna Arrays[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(7): 2887-2894.

[10]張學輝, 趙雯, 劉學觀.用于WLAN的雙頻天線的設計與實現[J].通信技術,2010,43(07):41-45.

ZHANG X H, ZHAO W, LIU X G. Design and Realization of Novel Dual-Band Antenna for WLAN[J].Communications Technology, 2010, 43(07):41-45.

[11]CHI Y J, CHEN F C: Quadri-Polarization Diversity Antenna with a Novel Feeding Network[C]//Proc. On Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, 2012:68-72

張建國 (1991—)男，碩士研究生，主要研究方向為天線；

錢祖平(1965—)男，教授，博士生導師，主要研究方向為電磁兼容與頻譜管理、計算電磁學、微波技術、天線技術；

關東方(1989—)男，博士研究生，主要研究方向為天線。

Design and Implementation of Multi-Polarization Antenna Arrays based on Substrate Integrated Waveguide

ZHANG Jian-guo，QIAN Zu-ping，GUAN Dong-fang

(Communication Engineering Institute,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

In order to improve the communication capacity of system, a multi-polarization array antenna based on SIW (Substrate Integrated Waveguide) and composed of coupler, four power dividers and 2 × 2 antenna arrays is designed and implemented.And in this design,SIW structure is applied to coupler and power dividers,and transformation structure of CPW (Coplanar Waveguide) to antenna in putports,while four patch elements are introduced into as 2 × 2 antenna arrays units. This antenna could operate in either LP or CP (Linear or Circular Polarization), depending on the requirements of its specific application.Test on the implemented antenna indicates the simulation data,and the experiment results show that this antenna,with a relative bandwidth of over 5% (19.8-20.9GHz), and a port isolations of over 17dB,could realize a gain of over 10 dB.

SIW;CPW;multi-polarization;array antenna

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.024

2015-11-05；

2016-02-10Received date:2015-11-05；Revised date：2016-02-10

TN821+.1

A

1002-0802(2016)03-0378-05