武警工程大學(xué)研究生管理大隊13隊 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13隊 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；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和難點。為此，許多學(xué)者進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，下面對其分別進行簡單的介紹。

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加載十字交叉縫隙的基片集成波導(dǎo)天線進行饋電[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[5]和文獻[6]采用T形帶狀線對微擾的圓形貼片饋電，獲得圓極化輻射性能。文獻[6]通過改進的T型帶狀線枝節(jié)對其進行饋電，并且在天線對角線處加入對稱的空氣通孔以及在天線頂面加載寄生圓環(huán)來進一步地提高天線的圓極化性能，天線的軸比帶寬達到18.7%。

圖3寬帶圓極化SIW天線

圖4 帶寬增強的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現(xiàn)方法主要通過對線極化單元或圓極化單元進行相差900的順序旋轉(zhuǎn)四點饋電，饋電方式主要是威爾金森功分器或SIW功分器進行等幅、相差900的旋轉(zhuǎn)饋電法。如圖5和圖6所示，文獻[7]設(shè)計了兩款SIW圓極化天線，軸比帶寬分別達到21.53%和25.7%。而文獻[8]采用SIW功分器結(jié)構(gòu)對線極化單元陣列進行饋電，軸比帶寬達到14%，天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。2016年，Qi Wu[9]等人設(shè)計了三款基于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)計種類繁多，但軸比帶寬較寬的并不多見。本文主要是對已有的拓展基片集成波導(dǎo)圓極化天線軸比帶寬的文獻進行歸納總結(jié)，從饋電方式上的不同進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)。