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)

隨著無(wú)線通信朝著高頻、高質(zhì)量不斷發(fā)展，其對(duì)通信速率及通訊覆蓋范圍都提出了新的要求.無(wú)論在移動(dòng)通信還是衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，電波覆蓋性能與通信容量都成為了新的挑戰(zhàn).而傳統(tǒng)的單波束天線已經(jīng)在這一需求中逐漸顯現(xiàn)出了不可忽視的弊端.多波束天線能夠在單個(gè)天線口面產(chǎn)生不同方向的獨(dú)立的輻射波束，在無(wú)線電波覆蓋能力上具有先天的優(yōu)勢(shì).因此，研究多波束天線對(duì)于無(wú)線通信的高質(zhì)量發(fā)展具有重要的意義.

近年來(lái)，人們對(duì)多波束天線的研究主要基于無(wú)線通信應(yīng)用[1-2]、衛(wèi)星通信應(yīng)用[3-7]、雷達(dá)探測(cè)[8-9]等方面.在無(wú)線通信系統(tǒng)中，當(dāng)利用非正交多址接入技術(shù)處理大規(guī)模毫米波天線系統(tǒng)中的用戶分組時(shí)，常常會(huì)受限于基站波束寬度，而這一問(wèn)題可以利用多波束天線解決[1]；除此之外，還可以利用天線多波束性能展寬通信覆蓋范圍，提升通信容量[2].在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，主要是結(jié)合超表面超材料等新技術(shù)，利用相控陣設(shè)計(jì)天線的多波束輻射特性，實(shí)現(xiàn)子陣列波束預(yù)編碼，以此提高頻譜效率[3,7].在雷達(dá)探測(cè)方面，主要是利用天線多波束輻射特性增強(qiáng)地面探測(cè)能力[8]以及提升搜索性能[9].除此之外，文獻(xiàn)[4]利用多路饋電方法設(shè)計(jì)了多波束天線，并實(shí)現(xiàn)了波束的可切換特性，文獻(xiàn)[5]利用口面場(chǎng)參數(shù)法及目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化法，對(duì)多波束輻射性能進(jìn)行算法綜合設(shè)計(jì)與迭代優(yōu)化，提升了多波束題天線設(shè)計(jì)的效率，文獻(xiàn)[6]基于旋轉(zhuǎn)單元法，設(shè)計(jì)了多波束天線的圓極化特性.

在以上研究中，不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多波束輻射通常采用陣列設(shè)計(jì)[6-9]，通過(guò)對(duì)不同子陣列的輻射單元進(jìn)行相位分布設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各子陣列的不同波束指向,而相控陣的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，在一些民用場(chǎng)景并不具備優(yōu)勢(shì).部分多波束天線則是利用多饋電點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同單元波束獨(dú)立輻射[1-5]，饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天線尺寸大.因此，文中基于高質(zhì)量無(wú)線通信發(fā)展應(yīng)用需求，以半?；刹▽?dǎo)(SIW)為基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了平面3波束輻射天線.該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剖面低，且饋電簡(jiǎn)單易安裝，具有較好的研究?jī)r(jià)值.

1 天線結(jié)構(gòu)與輻射原理

研究所提出的多波束輻射天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)和圖1(b)所示.天線基本結(jié)構(gòu)由介質(zhì)板與上層貼片和下層地板組成，貼片與地板的尺寸是介質(zhì)的一半.貼片與地板利用結(jié)構(gòu)邊緣的單排金屬過(guò)孔連接.周期性結(jié)構(gòu)沿著天線軸向分布，輻射單元由矩形縫隙和金屬過(guò)孔組成，結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖1(c)所示.

圖1 基于半模SIW的多波束天線結(jié)構(gòu)

研究首先對(duì)半模SIW天線介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其基模傳播常數(shù)β0與自由空間傳播常數(shù)k0相當(dāng)，從而實(shí)現(xiàn)天線端向輻射.然后設(shè)計(jì)周期性輻射單元結(jié)構(gòu)與尺寸，使其-1次諧波傳播常數(shù)β-1滿足輻射條件，使上層金屬貼片的周期性矩形縫隙在上半空間產(chǎn)生輻射波束.基于半模SIW半開(kāi)放結(jié)構(gòu)，天線在上下2個(gè)空間都有輻射波束，并且該波束具有一定的掃描特性.

2 仿真與結(jié)果

天線采有損FR-4作為介質(zhì)基板，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為 0.000 7，介質(zhì)厚度為h，長(zhǎng)和寬分別為L(zhǎng)和W.金屬貼片與地板尺寸為介質(zhì)板的一半，且上下對(duì)稱.周期性矩形縫隙長(zhǎng)和寬分別為ls和ws，縫隙沿著橫向(x方向)排布，縫隙中心與貼片橫向與縱向邊緣距離分別為ΔL和ΔW.周期金屬圓柱半徑為a，第1個(gè)金屬圓柱與貼片橫向與縱向邊緣距離分別為Δl和Δw.

表1 天線參數(shù)列表

天線S參數(shù)的仿真結(jié)果如下圖2所示，可以看出，天線在4～20 GHz 頻帶范圍內(nèi)S11都小于 -10 dB，阻抗帶寬超過(guò)80%.

圖2 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

圖3給出了不同頻率時(shí)天線的歸一化輻射方向圖，可以看出，天線在端向及兩側(cè)能輻射出3個(gè)波束，其中，由基波控制的端向輻射不隨頻率發(fā)生變化，而由-1次諧波控制的上下空間2個(gè)對(duì)稱波束隨頻率具有一定的掃描特性.當(dāng)頻率為 12 GHz 時(shí)，天線最大增益達(dá)到 15.5 dB.為進(jìn)一步說(shuō)明本文所提出天線的性能優(yōu)勢(shì)，下表2給出了該天線與參考文獻(xiàn)[4]中類似天線的性能比較，可以看出，在結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)時(shí)，文中天線具有更大的帶寬與更高的增益，且饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很大的性能優(yōu)勢(shì).

圖3 不同頻率天線的歸一化輻射方向圖仿真結(jié)果

表2 本文天線與類似天線的性能比較

3 結(jié)語(yǔ)

研究所提出的基于半模SIW的平面多波束天線，能夠利用基波與-1次諧波同時(shí)輻射出3個(gè)獨(dú)立的波束.天線結(jié)構(gòu)與饋電方式簡(jiǎn)單，天線阻抗帶寬大，增益高，對(duì)于無(wú)線通信電波覆蓋具有很好的應(yīng)用前景.