倾斜波束微带磁八木天线设计

张 昭，曹祥玉，李思佳

(空军工程大学信息与导航学院， 西安710077)

0 引言

八木天线自1928年问世以来，就以结构简单和方向性强的特点受到了学者们的深入研究。经过数十年的探索，由传统八木天线演变而来的各种形式的准八木天线、微带八木天线层出不穷，这些天线具有低剖面、低损耗、高增益和结构简单的共性。准八木天线［1-3］以印刷阵子为激励单元和引向器，截断的接地板为反射器，通过改进馈电和激励单元的形式，可以在超宽频带内实现水平极化的端射特性;微带八木天线［4-6］由矩形贴片构成，通过不同的馈电结构可以实现圆极化或线极化辐射，但是由于微带天线属于谐振型天线，以其为阵子单元构成的微带八木天线带宽很窄。传统八木天线是在电偶极子基础上发展而来的，又可称作电八木天线，与之相对应的磁八木天线则以磁偶极子为阵子单元，除极化方式不同外，磁八木天线也具有传统电八木天线的诸多特点。考虑到天线载体的金属表面和大地表面等应用环境中存在的镜像作用，垂直极化波所具有的衰减损耗小的优势使得磁八木天线具有重要的研究价值。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技术利用金属化通孔在介质基片上以传输线形式实现了波导场模式的传播［7］，其具有的结构紧凑、集成度高和损耗低等特点为微波天线发展提供了新的思路和方法［8-11］。文献［8］将SIW和微带天线一体化设计，通过不同端口馈电取得了水平极化多波束辐射效果;文献［9-10］利用SIW上下表面电场相位相差180°的特点分别将其作为馈电结构设计了对数周期天线和准八木天线，但二者的极化方式均平行于天线表面;文献［11］通过将微带线的不同边接地并作为激励单元，实现了磁八木天线设计，但其整体尺寸过大，达到了2.06λ×1.89λ×0.027λ。在上述研究成果的基础上，本文借鉴SIW技术和微带八木天线设计思想，提出了一种具有垂直极化辐射特性的磁八木天线设计方法。该方法以SIW为激励单元，并将金属化通孔加载于微带贴片构成磁偶极子引向器，通过波导场在SIW和引向器间的传播，实现了垂直极化倾斜波束的辐射效果，天线相对带宽为16.15%，整体尺寸为1.58λ×0.95λ×0.032λ，实物测试验证了该方法的有效性。

1 基于SIW的微带磁八木天线设计

1.1 SIW设计

SIW本质上是一种介质填充波导结构，两排紧凑的金属化通孔构成波导窄边，上下金属面构成波导宽边，电磁波在金属化通孔和上下金属面所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导的场模式传输。SIW主模为准TE10模，截止频率主要取决于两排金属化通孔之间的宽度，其设计步骤如下:

1)根据式(1)所示的SIW宽度Wsiw和等效矩形波导宽度W的关系式［12］，合理选择Wsiw使SIW在工作频段内以主模方式工作。

式中:d为金属化通孔直径;p为相邻金属化通孔之间的距离。

2)为减小相邻金属化通孔之间的能量泄漏，使SIW主模场分布近似普通金属波导主模场分布，通孔直径d和间距p须满足如下关系式［13］

式中:λc为SIW截止波长。

3)采用锥形转换器连接微带线和SIW，利用仿真软件优化锥形转化器的宽度和长度，使微带线输出端在较宽频带内呈现出50 Ω阻抗特性。

1.2 微带磁八木天线设计

按照上述步骤，本文设计了工作于 X频段的SIW，并将其作为激励单元，设计了X频段磁八木天线，其结构如图1所示，优化后的天线参数见表1。该天线由微带线、锥形转换器、SIW、耦合贴片、引向器1和引向器2构成，介质基板厚度为1 mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.000 9。微带线和锥形转化器两侧设置金属化通孔，在减小能量泄漏的同时有利于微带线的准TEM模转换为SIW的主模，即准TE10模，进而改善天线的阻抗匹配性能。引向器1和引向器2的两个短边及一个长边通过金属化通孔接地，形成磁偶极子引向器，与耦合贴片一起引导波导场向前传播。传统八木天线激励阵子单元为全向辐射，而在该天线的设计中，由于场能量在微带线和SIW构成的近似封闭的通道内传播，其传播方向具有定向性。因此，省去了反射器的设计，简化了传统八木天线的设计过程。

图2给出了该天线S11、端射方向增益(y轴正向)和最大辐射方向峰值增益的仿真结果，图3给出了8.7 GHz、9.5 GHz和10.3 GHz时 yoz面(E 面)和 xoy面方向图，可以看出天线的工作频段为8.7 GHz～10.3 GHz，相对带宽达到16.84%，在工作频段内，峰值增益在6.32 dBi～9.03 dBi范围内波动，yoz面辐射方向图呈现出垂直极化辐射特性，xoy面内端射方向也呈现出垂直极化辐射特性。由于天线的接地板为有限尺寸，因此，其波束指向倾斜了34°～48°，当接地板为无限大金属面时，其波束指向为端射方向［11］。

图1 天线结构俯视图

图2 S11和增益仿真结果

图3 辐射方向图

表1 天线参数 mm

2 仿真分析

与传统金属波导的场分布一样，SIW中电场矢量垂直于上下金属面，将SIW沿导波传播方向截断后，破坏了波导结构的封闭性，并且在截断面处形成一个能量辐射口，由此可以辐射垂直极化波。图4给出了9.5 GHz不同相位时本文所设计的磁八木天线电场分布情况。可以看出，微带线和锥形转换器两侧的金属化通孔将大部分能量限制在由金属化通孔、微带线和接地板构成的通道内，同时电场在SIW和耦合贴片、耦合贴片和引向器1的缝隙处形成了强分布带，并且随着相位变化，电场沿SIW-耦合贴片-引向器方向进行传播，进而形成了yoz面方向图呈倾斜辐射状态、xoy面方向图呈端射状态的辐射特性。在此基础上，进一步仿真分析了引向器数量对天线辐射性能的影响，垂直极化辐射方向图结果见图5，由图可知，随着引向器数量的增加，天线带宽几乎没有发生变化，yoz面波束倾斜角度有所增加，但同时方向图出现了栅瓣，起伏波动变大。

图4 磁八木天线电场分布

图5 引向器数量对辐射性能的影响

与传统八木天线不同的是，本文天线借鉴文献［11］的设计方法，在激励单元和引向器之间设置了一个耦合贴片用以调节匹配性能。从图6a)仿真结果可以看出，耦合贴片的长度Lm对天线带宽影响很大，当Lm=8 mm时，贴片自身谐振频率与SIW主模频率基本一致，SIW截断面处阻抗匹配达到最佳效果，天线阻抗带宽获得最大展宽。贴片长度对垂直极化方向图的影响如图6b)、6c)所示，它影响着激励单元和引向器之间的电场相位差，反映到辐射空间则体现为不同长度时yoz面方向图波束倾斜角度和xoy面方向图前后比的不同。

图6 耦合贴片长度对辐射性能的影响

文献［11］采用半宽度微带线作为激励单元，当其长度大于半个波长时，可以通过改变宽度来调节谐振频率，但是由此导致天线整体尺寸较大。表2列出了本文天线和文献［11］中四单元八木天线的主要性能参数对比结果。可以看出，引入工作于准TE10模式的SIW作为激励单元后，本文天线工作频段内峰值增益和波束倾斜角度虽有一定程度的减小，但是在剖面高度基本一致的情况下，天线带宽扩展了28.5%，尺寸减小了61.4%，带宽扩展和尺寸小型化效果显著。此外，基于SIW结构的馈电形式，省去了传统八木天线的反射器，简化了八木天线设计过程。

表2 性能参数对比

3 实测结果

为验证该设计方法的可靠性，加工制作了天线实物，如图7所示，在微波暗室中对天线的S11和方向图进行了测试。图8给出了天线S11参数的实测结果与仿真结果，实测曲线变化趋势与仿真结果基本一致但整体向高频略有偏移，工作频带为8.88 GHz～10.44 GHz，相对带宽为16.15%。图9分别给出了9.5 GHz时yoz面和xoy面内垂直极化和水平极化方向图的实测和仿真结果对比图，可以看出该天线辐射垂直极化波，但由于引向器数量和接地板大小的限制，yoz面方向图呈现出波束倾斜的辐射特性，这一点与前文分析相吻合。

图7 天线实物图

图8 S11测试结果

图9 方向图测试结果

4 结束语

本文提出了一种具有垂直极化倾斜波束辐射特性的微带磁八木天线设计方法。该方法将SIW作为激励单元，通过在微带线和锥形转换器两侧设置金属化通孔、将引向器单元通过金属化通孔接地和附加耦合贴片等途径，实现了垂直极化倾斜波束的辐射特性，改善了天线的阻抗匹配效果。该天线通过SIW实现八木天线的激励单元设计，省去了传统八木天线的反射器，简化了八木天线的设计过程。加工制作了天线实物，实测工作频带为8.88 GHz～10.44 GHz，相对带宽16.15%，整体尺寸为1.58λ ×0.95λ ×0.032λ，带宽扩展和尺寸小型化效果显著。方向图实测与仿真结果吻合较好，证实了该天线具有垂直极化倾斜波束的辐射特性，验证了该设计方法的可靠性。该天线为与金属载体共形的八木天线设计提供了很好的借鉴。

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