一种圆极化透镜天线

王凯旭 黄衡

(1. 香港城市大学电子工程系 国家毫米波重点实验室,香港 999077;2. 香港城市大学深圳研究院,深圳 518057)

引 言

毫米波通信具有很宽的可用带宽(57～64 GHz),能够满足日益增长的高速无线通信的要求, 因此,近年来受到越来越多的关注．在毫米波无线通信系统中,天线扮演着关键的技术． 首先,毫米波天线必须具有比较宽的带宽,才能覆盖所需的工作频段．其次,由于毫米波通信过程中有比较高的损耗,因此要求毫米波天线具有比较高的增益,才能实现比较远距离的通信．

传统的毫米波高增益天线多采用天线阵列来实现,通过增加天线振子的数量来实现比较高的增益[1-4]．这种方式虽能够有效增加天线的增益,但是需要外加一套馈电网络给每个振子分别馈电．随着天线振子数量的增加,馈电网络也会变得复杂而庞大,更为重要的是,此时馈电网络的插入损耗也会随着增加,这样反而会降低天线的增益．

除了天线阵列,在天线的前方增加一个透镜也是提高天线增益的有效方法[5-9]．由于透镜具有体积大的缺点,因此该方法在低频段比较少被采用．但是对于毫米波无线通信,由于工作频率在60 GHz, 工作波长很短,此时透镜的体积就可以大大减少,所以透镜天线在毫米波通信系统中被广泛采用．传统的透镜只能提高天线增益的能力,却不能起到实现圆极化的功能．为了实现圆极化,一般需要采用在底下添加一个圆极化天线源的方式．

本文提出了一款新型的毫米波透镜天线,该透镜天线将极化器与传统的扩展半球介质透镜有效融合在一起,通过一个器件,同时实现透镜与极化器的功能,不仅能有效提高天线的增益,还能将线极化入射波转化为圆极化．

1 天线结构与设计

图1展示了天线的结构图,该天线在传统的扩展半球介质透镜上每隔相同的距离挖出一段长方形的槽.它也可以看成是由顶部的半球透镜以及下边的圆柱形极化器组合而成．该天线的馈源位于透镜的下方,与透镜的距离为g,g的大小会影响天线的增益．此外,为了实现圆极化,馈源部分的线极化方向需要与长方形槽保持45°．整个天线采用3D打印技术加工而成, 3D 打印材料的介电常数是2.9, 损耗角正切是0.01．

图1 天线结构图Fig.1 Configuration of the proposed antenna

1.1 圆极化的实现

图2给出了极化器结构的单元,极化器可以看成由很多个单元组成．从图2可以看到,每个单元由一片介质和一片空气组成,这种结构在x方向和y方向具有不同的介电常数εx和εy,其表达式为:

(1)

εy=ε0+ε0(εr-1)r．

(2)

式中,r=w2/(2w1+w2)．

图2 极化器的单元结构图Fig.2 Schematic model of polarizer unit

图3和图4分别展示了εx和εy的数值计算和仿真结果．其中虚线为数值计算的曲线,实线为软件HFSS的仿真结果．从图中可以看出,仿真结果与数值计算结果很吻合．此外,也可以看出εx小于εy,即具有x极化方向的电磁波在介质中的传播速度要比y极化方向的电磁波的传播速度快．于是,它们穿过极化器的时候具有不同的相移特性,通过调节极化器的厚度,使得它们的相位差为90°,于是便可产生圆极化特性．

图3 有效介电常数εx随不同填充比r 的变化规律Fig.3 Simulation and calculation effective dielectric constants εx versus different ratios r for different εr

图4 有效介电常数εy随不同填充比r 的变化规律Fig.4 Simulation and calculation effective dielectric constants εy versus different ratios r for different εr

1.2 焦点的位置

电磁波穿过传统的扩展半球形介质透镜的光路径如图5(a)所示,电磁波从焦点出发,在透镜表面发生折射,近光轴的电磁波经过折射后传播方向接近平行于z方向,从而提高天线的增益．而对于文中提出的圆极化透镜天线,电磁波穿越透镜时,发生了两次折射作用,第一次折射发生在极化器与半球透镜的交界处;第二次折射发生在透镜球面上．根据折射定律,可以得出

sinφe/sinφr=n/ne.

(3)

式中,n和ne分别是半球透镜和极化器的有效介电常数．由于极化器中有一部分是空气,故n>ne,因此φe>φr,h1>h2. 从以上的分析可以看出,当在透镜的扩展部分挖出一些长方形槽时,不仅能实现圆极化特性,还能通过折射作用减小透镜的焦点距离,从而有效地减小透镜的体积、插入损耗,以及加工成本．

(a) 传统透镜(a) Traditional lens

(b) 圆极化透镜(b) Circular polarizing lens图5 电磁波在透镜中的传播路径图Fig.5 The path of the waves pass through the lens

2 天线的加工与测试

为了验证我们的分析,我们对该天线进行仿真与测试,通过优化之后,天线的具体参数如下:h=6.5 mm,R=10 mm,g=0.7 mm,w1=0.5 mm,w2=1 mm．然后采用3D 打印机对优化后的天线进行加工,加工之后的天线实物图如图6所示．天线的馈源我们采用WR15的开口波导,通过开口波导产生线极化辐射波．

图6 加工之后的圆极化透镜以及天线馈源Fig.6 Prototype of the CP lens and the antenna source

在天线回波特性的测试中,我们采用了安捷伦的网络分析仪E8361A进行试验测试;而对于天线远场特性(例如增益,轴比,方向图等)的测试则是采用NSI 2000 系统进行测试,由于试验仪器的限制,测试的频段只从50 GHz 到 67 GHz.

图7展示了天线仿真与测试的匹配特性,可以看出仿真的阻抗带宽(小于-10 dB)从51 GHz 到75 GHz,测试的范围从51 GHz 到67 GHz．天线的阻抗带宽主要由馈源天线决定．图8展示了天线的轴比和增益特性,由图8可以看出:天线仿真的圆极化带宽(AR<3 dB)从50 GHz 到72 GHz,实测结果从 50 GHz 到67 GHz;天线的宽带圆极化特性主要是由极化器结构决定的;天线仿真的最大增益可以达到22 dBic,实测的增益可以达到21 dBic,增益的大小主要由半球透镜的半径决定,并且也受馈源位置的影响．图9比较了天线的方向性和增益,方向性比增益平均高了1.2 dB, 通过计算,可以看出天线的效率约为78%．在这个结构中,天线的损耗主要来源于3D 打印材料的损耗,由于我们采用的3D打印材料比较大,所以导致天线的损耗比较大,从而效率比较低．为了提高天线的效率,可以通过采用低损耗的3D打印材料来解决．图10 比较了在50 GHz 和 60 GHz(φ=±45°)的方向图,可以看出,仿真和测试的方向图比较接近．而且在其中一个面的旁瓣比较大(约为-12 dB),这是由天线源的表面波导致的,可以通过减小表面波的方式来减小方向图的旁瓣．

图7 天线的回波特性Fig.7 Reflection coefficient

图8 轴比和增益Fig.8 Axial ratio and gain

图9 方向性与增益Fig.9 Directivity and gain

(a) 50 GHz

(b) 60 GHz

图10 电磁波在透镜中的传播路径图Fig.10 The path of the waves pass through the lens

3 结 论

本文提出了一款新型的圆极化透镜天线,通过在传统的扩展半球介质透镜开槽的方式,能够将传统的透镜改造成具有圆极化功能的透镜天线．与之前的圆极化透镜相比,这种结构能够在实现高增益的同时,达到比较宽的轴比带宽．并且具有比较小的体积,能够减小插入损耗．此外,使用3D打印技术进行加工,能够将该设计应用于毫米波通信频段．由于材料的损耗比较大,该结构的增益很难进一步提高,下一步的工作可以通过采用薄透镜的方式来减小介质损耗,从而有效提高天线的增益．