霍興瀛,李錚
(1.六盤水師范學(xué)院計算機科學(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、衛(wèi)星、移動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,它對發(fā)射天線和接收天線之間的方向角度沒有苛刻的要求,從而帶來更強的靈活性和機動性,并在天氣狀況較差時呈現(xiàn)出更強的穿透性。不僅如此,在雷達探測和衛(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理的圓極化天線。如東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室[1]提出了一種以單極片為中心的環(huán)形寄生元件,可實現(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現(xiàn)圓極化輻射。蘇米特(Sumit Karki)團隊[3]設(shè)計了一種新型的圓極化天線,利用兩個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)計了一種圓極化平面單極天線,能夠在兩個不同頻段實現(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。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劇烈增加,從而導(dǎo)致天線效率降低[8,9]。為進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)計圓極化漏波天線[10]。
本文設(shè)計了如圖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),且中心距離為半個周期(圖1c)。
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漏波天線進行饋電,需要設(shè)計共面波導(dǎo)與中心饋線來實現(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,因此研究首先對共面波導(dǎo)進行設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(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)長度lc1足夠長時,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)長度lc2,可使能量在匹配區(qū)2 逐步擴散到整個天線口面,實現(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),再到天線口面整個區(qū)域內(nèi)的有效傳輸,從而實現(xiàn)天線阻抗匹配[11]。
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)計周期性結(jié)構(gòu),對介質(zhì)中的慢波進行擾動,從而在天線口面獲得周期性電場,而周期性電場可以表示成無窮多個諧波,因此,對周期性參數(shù)進行設(shè)計,可使天線利用空間諧波產(chǎn)生輻射。
本設(shè)計所利用的周期性結(jié)構(gòu)為金屬貼片,根據(jù)電磁場理論,圓極化輻射的實現(xiàn)需要兩個基本條件:一是Eθ和Eφ兩個相同幅度的正交場分量;二是兩正交場分量之間的90°相位差。這就要求輻射單元能夠在橫向和縱向兩個方向與中心饋線實現(xiàn)能量耦合,且兩個場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)由上下邊緣的兩個對稱直角等腰三角形與中心矩形組合而成,其中,三角形直角邊長為Tc,矩形長邊邊長為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,并且實現(xiàn)輻射波束的對稱性,周期性結(jié)構(gòu)輻射單元需由4個組合型貼片(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)相同的兩個貼片組成,設(shè)置兩同層貼片的中心距離為半個周期以實現(xiàn)相位補償。同時,設(shè)計上下兩個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,能量耦合越弱,最終決定天線輻射效率。
對于本文所提出的周期性圓極化漏波天線,首先對貼片尺寸(Tc,Rc)與旋轉(zhuǎn)角θ進行優(yōu)化,使天線在遠場產(chǎn)生兩個等幅度的正交場,即可滿足第一個圓極化輻射條件;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,實現(xiàn)場分量90°相差,即可滿足第二個圓極化輻射條件,從而使該漏波天線輻射圓極化波束。
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漏波結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)穆ㄟM行擾動,在天線口面產(chǎn)生無窮多個諧波,不同的空間諧波有不同的傳播常數(shù)βzm,對應(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情況所對應(yīng)的負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,周期P 能夠最先滿足輻射條件,當(dāng)周期逐漸增大,會依次滿足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 時的輻射條件而不能滿足m=-2 時的輻射條件。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),因此上下兩個空間都會產(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,還能對電場進行極化反轉(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,可通過仿真對其進行優(yōu)化。
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),實現(xiàn)無輻射結(jié)構(gòu)時的阻抗匹配。然后設(shè)計周期性圓極化輻射結(jié)構(gòu),包括輻射單元尺寸(Tc,Rc)、正交貼片相對位置(Xd,Yd)、貼片旋轉(zhuǎn)角度θ等。研究利用三維全波電磁場(Computer Simulation Technology,CST)仿真軟件對天線傳輸及輻射特性進行分析,依次對天線各參數(shù)進行優(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,天線在30 GHz-60 GHz 頻段范圍內(nèi)S11都低于-10 dB,在中心頻點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,可以保證能量從波端口到天線的有效傳輸,此時天線沒有輻射,但S21卻不為0,這是因為能量在傳輸時存在介質(zhì)損耗,且能量從波端口進入天線時存在一定的反射。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,會增大能量在傳輸時的反射,因此,S11值比不輻射時有所增大,如43 GHz 頻點處的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,給出了不同頻率時天線的增益及軸比分布。
圖4 不同頻率時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,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??梢钥闯觯炀€的3 dB 軸比帶寬約為8.5 GHz(從41.5 GHz 到49 GHz),相對帶寬為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,說明遠場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,天線口面一個輻射單元附近的電場矢量變化。
圖6 天線口面輻射貼片周圍電場在一個周期內(nèi)的矢量分布
由圖6 可以看出,天線口面電場矢量末端軌跡在一個周期內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn),從而解釋了產(chǎn)生右旋圓極化輻射的機理。
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)計漸變型共面波導(dǎo)實現(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 個周期單元,優(yōu)化后可以實現(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)簡單,傳輸特性及圓極化輻射性能優(yōu)良,對于毫米波頻段無線通信有很好的應(yīng)用前景。