林可，肖懷寶，逯貴禎，王宜穎

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024;2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876)

1 引言

徑向線縫隙天線是一種高增益陣列縫隙天線，由于其顯著的高增益、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景［1，2］。

圓極化徑向線縫隙天線(CP－RLSA)主要用于12GHz頻段的直播衛(wèi)星(DBS)接收［2］。在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)背景下，高清晰度電視(HDTV)等的發(fā)展，CPRLSA的優(yōu)勢越來越明顯。利用沿徑向的外向行波來激勵縫隙，目前徑向線縫隙天線的增益理論上可達(dá)到36－37dBi，這約是常規(guī)平面天線在該范圍增益的兩倍［2］。

本文通過VBScript語言編程建模，自動生成大規(guī)模徑向線縫隙陣，再將此縫隙陣結(jié)構(gòu)導(dǎo)入HFSS(三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件)仿真環(huán)境，研究徑向線上縫隙的大小、偏轉(zhuǎn)角和相對位置，得出高增益的圓極化徑向線縫隙天線(CP－RLSA)最佳的設(shè)計(jì)方案。

2 天線設(shè)計(jì)原理

2.1 天線結(jié)構(gòu)［2］

徑向線縫隙天線(RLSA)從結(jié)構(gòu)上可以分為單層RLSA和雙層RLSA，但是雙層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的天線當(dāng)能量傳輸?shù)街行奈恢煤笫Ｓ嗄芰康奶幚磔^麻煩、效率和增益都比較低，而且由于不易于加工帶來了加工費(fèi)用的增加，不利于商業(yè)應(yīng)用。采用單層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式克服了上述缺點(diǎn)，但同時也給天線縫隙的設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在縫隙長度設(shè)計(jì)最里圈和最外圈縫隙的設(shè)計(jì)等［3］。由于單層RLSA相對于雙層RLSA具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低等特點(diǎn)，是徑向線縫隙天線發(fā)展的趨勢［2］。

本文采用的是單層徑向波導(dǎo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。圖1所示的是一個單層徑向線縫隙天線(Single－layered RLSA)［1，4］，由兩塊距離 d 小于二分之一波導(dǎo)波長λg的金屬板構(gòu)成的徑向波導(dǎo)，波導(dǎo)的頂面開有沿螺旋線均勻分布的等縫隙對陣列，縫隙對的兩縫隙相距為四分之一波導(dǎo)波長λg且互相垂直，構(gòu)成一個圓極化輻射單元。在單層RLSA中，由同軸電纜在中心處饋入，并被轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)對稱的沿徑向的外向行波［1，5］。

圖1 圓極化徑向線縫隙天線

2.2 原理分析［3］

圓極化徑向線縫隙天線，其縫隙對沿螺旋線均勻分布。我們先考慮第一個縫隙對(n=1，2)。縫隙1和縫隙2與徑向方向成θ1角傾斜，它們互相垂直，以等幅激勵，相位差為，構(gòu)成一個右旋圓極化輻射單元，其條件是:

下一步是導(dǎo)出縫隙對的位置，由幾何關(guān)系可得:

描述徑向線波導(dǎo)中磁場的分布函數(shù);Sφ、ρ1和ρ3如圖2所示。當(dāng)滿足條件kρ＞1時，式(2)可進(jìn)一步簡化為:

(3)式表明縫隙對的變化軌跡是一條螺旋線。其中，ψ表示縫隙起始位置的角度;λ0表示徑向線波導(dǎo)中的波導(dǎo)波長。由于，ρ(ψ+2π)－ρ(ψ)=λg所以Sρ=λg(4)其中，λg為同一條徑向線上兩個相鄰縫隙對之間的間距，如圖2所示的位置［3］。

圖2 螺旋線形狀的縫隙對的排布規(guī)律

3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

通過VBScript語言編程建模，可以靈活優(yōu)化縫隙的長度、角度等參數(shù)。在圓極化徑向線縫隙天線設(shè)計(jì)的過程中，縫隙長度是天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本文采用相對介電常數(shù)εr=1.06的圓極化徑向線縫隙天線，設(shè)計(jì)中心頻率為12GHz的DBS(直播衛(wèi)星天線)。

根據(jù)上述原理，波導(dǎo)波長λg=24.282mm，慢波因子優(yōu)化后的參數(shù)分別如下表1和表2所示:

表1 縫隙排列參數(shù)

表2 天線設(shè)計(jì)參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

本文所設(shè)計(jì)的徑向線縫隙天線的直徑為640mm，天線厚度為6.35mm。通過采用 VBScript建模，通過對縫隙的寬度、長度和偏轉(zhuǎn)角度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的縫隙排列，參數(shù)如表1和2。

從圖3可以看出，波導(dǎo)內(nèi)的場分布基本保持完整旋轉(zhuǎn)對稱性，縫隙對從內(nèi)到外都有較為均勻的輻射，最外圈的縫隙將所剩能量盡可能多的輻射出去，從而降低反射。

天線的增益和回波損耗如圖4所示。

從圖4可以得到，在頻段 11.5－12.5GHz內(nèi)S11均低于 －14.8dB，而且絕大部分低于 －16.5dB，天線增益可以達(dá)到32.196dB。通過對縫隙長度和寬度的調(diào)整，保證了天線口徑面的均勻性，提高了天線的性能，降低了回波損耗。

5 結(jié)論

本文采用VBScript語言編程建模，來實(shí)現(xiàn)縫隙陣列的建模、仿真和計(jì)算等。極大的簡化了大陣列、對縫隙的徑向線縫隙天線的設(shè)計(jì)。天線面的設(shè)計(jì)是徑向線縫隙天線設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，其縫隙的參數(shù)決定了天線的極化方式、方向性、增益等。對于圓極化徑向線縫隙天線來說，縫隙的排列和尺寸是天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。VBScript語言編程建模解決了天線面設(shè)計(jì)的問題。HFSS仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖3 天線面電場分布

圖4 天線仿真結(jié)果

在以后的工作中，將對頻偏做研究，逐步改進(jìn)天線面的設(shè)計(jì)。從而達(dá)到高效率、高增益的圓極化徑向線縫隙天線。

［1］Ke Lin，Huaibao Xiao，Guizhen Lu，Yiying Wang.A New Analysis Model of the Radial Line Slot Antenna［C］.IEEE International Symposiumon Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，October 2013，5:089.

［2］林哥，肖懷寶，逯貴禎，王宜穎.一種徑向線縫隙天線局部模型的分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)(增刊)，2014.

［3］王宜穎，肖懷寶，逯貴禎，等.低相對介電常數(shù)的圓極化徑向線縫隙天線的研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)(增刊)，2014.

［4］Wang，Yiying，et al.The Investigation for a Circularly Polarized Radial Line Slot Antenna with Low Side Lobes and High Gain［C］.ICMMT，May 2012，3.

［5］Goto N，Yamamoto M.Circularly polarized radialline slot antennas［C］.IECE Japan，Tech Rep，APSO －57，1980.