一種高增益寬帶圓極化漏波天線的設(shè)計(jì)與仿真

霍興瀛，李錚

（1.六盤水師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 六盤水 553000；2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

在雷達(dá)、衛(wèi)星、移動(dòng)通信等眾多的無線通信系統(tǒng)中，天線變得越發(fā)重要。與線極化天線相比，圓極化天線在許多應(yīng)用中顯示出更多的優(yōu)勢(shì)，它對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間的方向角度沒有苛刻的要求，從而帶來更強(qiáng)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，并在天氣狀況較差時(shí)呈現(xiàn)出更強(qiáng)的穿透性。不僅如此，在雷達(dá)探測(cè)和衛(wèi)星通信應(yīng)用中，圓極化天線仍然是消除極化失配和減少多徑干擾的最好選擇。近年來，人們不斷提出基于不同輻射機(jī)理的圓極化天線。如東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［1］提出了一種以單極片為中心的環(huán)形寄生元件，可實(shí)現(xiàn)低輪廓錐形圓極化輻射，不僅如此，他們還提出了一種介質(zhì)集成波導(dǎo)天線［2］，利用兩組徑向和周向的正交電流源實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。蘇米特（Sumit Karki）團(tuán)隊(duì)［3］設(shè)計(jì)了一種新型的圓極化天線，利用兩個(gè)正交的寄生輻射單元包圍中心單極子，通過調(diào)整其包裹距離可以實(shí)現(xiàn)波束角度掃描。楊宇航［4］提出了一種圓形彎曲微帶傳輸線饋電結(jié)構(gòu)，可在方形貼片陣列側(cè)向?qū)崿F(xiàn)圓極化輻射。巴特查吉（Bhattacharjee Ankit）［5］設(shè)計(jì)了一種圓極化平面單極天線，能夠在兩個(gè)不同頻段實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)。宋（Son）及李康允等人［6］提出了一種低剖面的圓極化磁電偶極子天線，并設(shè)計(jì)微帶線孔徑耦合饋電結(jié)構(gòu)以提高天線圓極化帶寬。納克拉（Anirudh Nakra）等人［7］提出了一種基于對(duì)拓開槽的維瓦爾第（Vavaldi）結(jié)構(gòu)的具有良好圓極化特性的高增益陣列天線。

研究發(fā)現(xiàn)，上述圓極化天線大多采用微帶線傳輸結(jié)構(gòu)，具有外形小巧、重量輕、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著工作頻率的增加，介質(zhì)基底及金屬貼片所帶來的損耗都會(huì)劇烈增加，從而導(dǎo)致天線效率降低［8，9］。為進(jìn)一步提高天線輻射效率，本文采用平面高保線代替?zhèn)鹘y(tǒng)微帶線來激勵(lì)周期性輻射貼片，并去掉地板，利用發(fā)射器將下層金屬貼片的輻射鏡像反射，與上層貼片的輻射在空間疊加來設(shè)計(jì)圓極化漏波天線［10］。

1 天線結(jié)構(gòu)與機(jī)理

本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的圓極化漏波天線結(jié)構(gòu)與參數(shù)。

圖1 圓極化漏波天線結(jié)構(gòu)與參數(shù)

由圖1 可知，圓極化漏波天線主要由介質(zhì)基板、周期性輻射單元及反射器構(gòu)成（圖1 a）。圓極化輻射單元由兩組組合型貼片組成，分別位于介質(zhì)基板上下兩側(cè)，上下兩組貼片在空間正交，以降低天線交叉極化（圖1 b）。上表面的貼片組由兩個(gè)完全一樣的組合型金屬貼片組成，分別位于中心饋線左右兩側(cè)，且中心距離為半個(gè)周期（圖1c）。

1.1 能量傳輸與機(jī)理

該天線采用平面高保線作為饋電結(jié)構(gòu)，為了在仿真中利用波端口對(duì)漏波天線進(jìn)行饋電，需要設(shè)計(jì)共面波導(dǎo)與中心饋線來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。為了保證能量從波端口到輻射結(jié)構(gòu)的有效傳輸，需要降低能量在共面波導(dǎo)與中心饋線這部分結(jié)構(gòu)中的反射，因此研究首先對(duì)共面波導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)如圖1 b所示。在波導(dǎo)前端，使之與中心饋線的距離w1保持均勻，當(dāng)共面波導(dǎo)長(zhǎng)度lc1足夠長(zhǎng)時(shí)，匹配區(qū)1 可以等效為波導(dǎo)并與波端口匹配，保障電磁波在波端口與共面波導(dǎo)之間有良好的傳輸特性，從而減小電磁反射，保證能量有效饋入；在共面波導(dǎo)后半部分，設(shè)計(jì)波導(dǎo)與中心饋線的間距逐步從w1增大到w2，調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)長(zhǎng)度lc2，可使能量在匹配區(qū)2 逐步擴(kuò)散到整個(gè)天線口面，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，從而減小電磁反射，完成能量從波端口到共面波導(dǎo)，再到天線口面整個(gè)區(qū)域內(nèi)的有效傳輸，從而實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配［11］。

1.2 圓極化單元設(shè)計(jì)

本文所提出的圓極化天線是利用平面高保線饋電的一條沿介質(zhì)基板上表面中心的金屬線［12］，寬度為wp，它能夠抑制漏波天線基模輻射，使天線成為慢波結(jié)構(gòu)［13］，不能直接產(chǎn)生輻射。因此，需要在介質(zhì)表面設(shè)計(jì)周期性結(jié)構(gòu)，對(duì)介質(zhì)中的慢波進(jìn)行擾動(dòng)，從而在天線口面獲得周期性電場(chǎng)，而周期性電場(chǎng)可以表示成無窮多個(gè)諧波，因此，對(duì)周期性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使天線利用空間諧波產(chǎn)生輻射。

本設(shè)計(jì)所利用的周期性結(jié)構(gòu)為金屬貼片，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，圓極化輻射的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)基本條件：一是Eθ和Eφ兩個(gè)相同幅度的正交場(chǎng)分量；二是兩正交場(chǎng)分量之間的90°相位差。這就要求輻射單元能夠在橫向和縱向兩個(gè)方向與中心饋線實(shí)現(xiàn)能量耦合，且兩個(gè)場(chǎng)分量能在空間正交并產(chǎn)生90°相位差。因此，提出一種組合型輻射單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由上下邊緣的兩個(gè)對(duì)稱直角等腰三角形與中心矩形組合而成，其中，三角形直角邊長(zhǎng)為Tc，矩形長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)為Rc，貼片中心線與y 軸夾角為θ，其結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1 c 所示。為了獲得空間相位差，并且實(shí)現(xiàn)輻射波束的對(duì)稱性，周期性結(jié)構(gòu)輻射單元需由4個(gè)組合型貼片（左上、左下、右上、右下）組成，分別設(shè)在介質(zhì)基板上下兩側(cè)，以降低交叉極化。其中，深黃色（深色）貼片為上層貼片，淺黃色（淺色）貼片為下層貼片，如圖1 b所示。位于介質(zhì)板上表面的貼片（左上、右上）旋轉(zhuǎn)角度為θ（圍繞貼片中心，與y軸夾角），另一組位于介質(zhì)基板下側(cè)的貼片（左下、右下），旋轉(zhuǎn)角度為θ+90°，與上層貼片正交。位于同一層的每組單元又由中心饋線兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)貼片組成，設(shè)置兩同層貼片的中心距離為半個(gè)周期以實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。同時(shí)，設(shè)計(jì)上下兩個(gè)正交的貼片的縱向和橫向距離分別為Xd和Yd，用來調(diào)節(jié)兩正交場(chǎng)分量的相位差。介質(zhì)基板上表面中心饋線兩側(cè)貼片的中心點(diǎn)到饋線的距離相等，為Sd，主要決定貼片與饋線間的能量耦合，距離越遠(yuǎn)，能量耦合越弱，最終決定天線輻射效率。

對(duì)于本文所提出的周期性圓極化漏波天線，首先對(duì)貼片尺寸（Tc，Rc）與旋轉(zhuǎn)角θ進(jìn)行優(yōu)化，使天線在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生兩個(gè)等幅度的正交場(chǎng)，即可滿足第一個(gè)圓極化輻射條件；然后通過調(diào)整介質(zhì)基底厚度h和優(yōu)化兩組正交貼片在縱向和橫向之間的位置偏差Xd和Yd，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)分量90°相差，即可滿足第二個(gè)圓極化輻射條件，從而使該漏波天線輻射圓極化波束。

1.3 周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出的圓極化天線共有10 組輻射單元，沿著天線口面等間距分布，天線利用輻射單元的周期性對(duì)漏波結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)穆ㄟM(jìn)行擾動(dòng)，在天線口面產(chǎn)生無窮多個(gè)諧波，不同的空間諧波有不同的傳播常數(shù)βzm，對(duì)應(yīng)著不同的輻射方向，其大小由基模的傳播常數(shù)βz0 和周期P來共同決定。

根據(jù)周期型漏波天線諧波輻射機(jī)理，若其自由空間傳播常數(shù)為k0，基波傳播常數(shù)為βz0，輻射單元周期為P，則第m次諧波的輻射條件［10］為：

對(duì)于慢波結(jié)構(gòu)來說，介質(zhì)中的傳播常數(shù)是大于自由空間波數(shù)的，即：βz0＞k0。因此，從公式（1）可以看出，只有m＜0情況所對(duì)應(yīng)的負(fù)次諧波才可能使得諧波的傳播常數(shù)βzm小于自由空間波數(shù)k0，從而滿足m次諧波輻射條件：

可以看出，當(dāng)m=-1 時(shí)，周期P 能夠最先滿足輻射條件，當(dāng)周期逐漸增大，會(huì)依次滿足m=-2，m=-3 等多次空間諧波的輻射條件，不同空間諧波對(duì)應(yīng)不同的輻射方向。為了保證空間只產(chǎn)生單一方向波束，需要抑制高次諧波的輻射，即周期P 只能滿足m=-1 時(shí)的輻射條件而不能滿足m=-2 時(shí)的輻射條件。因此，本文設(shè)置周期P為4.7 mm（0.674λ0，中心頻率為f0=43 GHz），以保證天線只存在-1次諧波輻射。

在該天線中，由于貼片位于介質(zhì)基板兩側(cè)，因此上下兩個(gè)空間都會(huì)產(chǎn)生輻射，且輻射方向相反，不僅如此，上下層貼片產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的極化方式也相反（左旋或右旋）。因此，需要在介質(zhì)基板下方設(shè)計(jì)反射器，該反射器不僅能夠?qū)⑾蛳螺椛涞哪芰糠瓷涞缴习肟臻g，還能對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)，保證天線只產(chǎn)生向上的單一極化方式的圓極化輻射。該反射器與介質(zhì)基板底下表面距離為hf，可通過仿真對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2 仿真與結(jié)果

首先確定該圓極化漏波天線工作在f0=43 GHz附近，為便于仿真及結(jié)果分析，確定使用損耗正切和介電常數(shù)分別為tanδ=0.02和εr=1.8的介質(zhì)基板，然后確定介質(zhì)板的尺寸（ws，ls）和反射器尺寸（wf，lf）。波端口的尺寸根據(jù)工作頻率來確定后，利用仿真優(yōu)化共面波導(dǎo)區(qū)域1和區(qū)域2的尺寸（w1，lc1）（w2，lc2），實(shí)現(xiàn)無輻射結(jié)構(gòu)時(shí)的阻抗匹配。然后設(shè)計(jì)周期性圓極化輻射結(jié)構(gòu)，包括輻射單元尺寸（Tc，Rc）、正交貼片相對(duì)位置（Xd，Yd）、貼片旋轉(zhuǎn)角度θ等。研究利用三維全波電磁場(chǎng)（Computer Simulation Technology，CST）仿真軟件對(duì)天線傳輸及輻射特性進(jìn)行分析，依次對(duì)天線各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過嘗試，獲得一組如表1 所示的參數(shù)，使得該圓極化漏波天線在41.5 GHz-49 GHz 頻段同時(shí)具有良好的傳輸特性及圓極化輻射特性。

表1 天線參數(shù)

天線S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

由圖2可以看出，在沒有周期性輻射結(jié)構(gòu)時(shí)，天線在30 GHz-60 GHz 頻段范圍內(nèi)S11都低于-10 dB，在中心頻點(diǎn)43 GHz附近低至-23.2 dB，這說明基于平面高保線的漸變型共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)，可以保證能量從波端口到天線的有效傳輸，此時(shí)天線沒有輻射，但S21卻不為0，這是因?yàn)槟芰吭趥鬏敃r(shí)存在介質(zhì)損耗，且能量從波端口進(jìn)入天線時(shí)存在一定的反射。當(dāng)天線口面增加周期性輻射單元后，能量在天線中一邊傳輸，一邊輻射，因此S21值比不輻射時(shí)降低了很多，在-12 dB左右。而周期性輻射單元的引入使得天線結(jié)構(gòu)存在不連續(xù)性，會(huì)增大能量在傳輸時(shí)的反射，因此，S11值比不輻射時(shí)有所增大，如43 GHz 頻點(diǎn)處的S11從-23.2 dB增大到-20.66 dB，但天線反射仍然保持在較低水平，并且在整個(gè)頻帶寬度內(nèi)輻射效率都大于90%。

如圖3 所示，給出了43 GHz 時(shí)天線在方位面的主極化和交叉極化分量及輻射增益。

圖3 天線輻射增益、主極化與交叉極化的仿真結(jié)果

由圖3 可以看出，由于天線利用-1 次諧波輻射，主波束方向在后向-24°，最大增益為18.5 dBic，且主瓣方向交叉極化低于-19 dB。

如圖4 所示，給出了不同頻率時(shí)天線的增益及軸比分布。

圖4 不同頻率時(shí)天線輻射增益與軸比的仿真結(jié)果

由圖4 可以看出，當(dāng)頻率從41.5 GHz 增大到49 GHz 時(shí)，輻射主波束隨頻率增大不斷從后向朝側(cè)向掃描，但天線增益都能保持在18 dBic 附近，且最大掉落不到1 dB。不僅如此，在主波束3 dB功率寬度范圍內(nèi)，軸比都保持在3 dB以內(nèi)，說明該周期型漏波天線具有很好的寬帶圓極化特性?？梢钥闯?，天線的3 dB 軸比帶寬約為8.5 GHz（從41.5 GHz 到49 GHz），相對(duì)帶寬為19.8%（中心頻率43 GHz）。

如圖5 所示，給出了電磁波能量沿該天線縱向的傳播狀態(tài)。

圖5 天線口面電磁能量傳播形態(tài)

由圖5 可以看出，天線中的大部分能量以行波的形式沿著縱向傳播，且主要集中在周期性輻射結(jié)構(gòu)周圍，說明遠(yuǎn)場(chǎng)輻射主要由圓極化單元產(chǎn)生，且能量一邊傳輸一邊輻射，沿著天線口面逐漸減弱。

如圖6 所示，給出了當(dāng)相位從0°變化到270°時(shí)，天線口面一個(gè)輻射單元附近的電場(chǎng)矢量變化。

圖6 天線口面輻射貼片周圍電場(chǎng)在一個(gè)周期內(nèi)的矢量分布

由圖6 可以看出，天線口面電場(chǎng)矢量末端軌跡在一個(gè)周期內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而解釋了產(chǎn)生右旋圓極化輻射的機(jī)理。

3 結(jié)論

本文提出并分析了一種基于毫米波頻段的、具有圓極化特性的周期漏波天線，該天線基于低損耗平面高保線，設(shè)計(jì)漸變型共面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并利用反射器產(chǎn)生上半空間單一偏振的圓極化波束。圓極化輻射單元為兩組正交的組合型貼片，天線共有10 個(gè)周期單元，優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)19.8%的3 dB 軸比帶寬，且天線效率超過90%，最大增益為18.5 dBic。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸特性及圓極化輻射性能優(yōu)良，對(duì)于毫米波頻段無線通信有很好的應(yīng)用前景。