应用于毫米波车地通信的小型化间隙波导缝隙阵列天线设计

第五健健,张健穹,王庆峰,李相强

(西南交通大学 物理科学与技术学院,四川 成都 610031)

车载天线是高速磁悬浮列车毫米波无线通信的关键部件之一,要求其具有圆极化和扇形波束辐射(俯仰面波束宽度小、方位面波束宽度大)等特性。文献[1]提出一种反射面天线,产生了波束宽度为7.6°×24.8°的扇形波束和圆极化辐射,实现了磁悬浮列车的毫米波通信,但是该方案存在的主要不足是天线体积较大,高度较高,影响列车的高速运行。2020 年,鄂蕴刚[2]提出一种28 单元的中心馈电小型化波导螺旋阵列天线,该天线馈电系统采用同轴波导中心馈电、四路矩形波导并馈的形式,实现了所有单元的等幅同相馈电,大幅度降低了车地通信天线的尺寸。但是该方案仍存在以下不足:一是加工精度高,难度大;二是所有螺旋单元均采用介质套进行悬空固定,天线的晃动或震动会引起螺旋的旋转和错位,天线机械稳定性差,不利于工程应用;三是所有螺旋需要手动旋转调相,容易产生相位误差,不能较好保证天线工作性能的稳定。

随着无线通信系统的蓬勃发展,天线作为毫米波系统的关键部件之一逐渐向着小型化、宽频带、高效率、低成本和易集成方向发展。间隙波导[3]技术是一种新型的波导结构,可以由理想电导体表面、理想磁导体表面、软硬表面和电磁带隙结构[4-6]等各种特定边界条件构成。在实际使用中,电磁带隙由金属导体或介质构成周期排布的结构组成,用于限制某一频带内的电磁波传输,从而防止能量的泄露。由于间隙波导具有低传输损耗特性,近年来基于间隙波导馈电网络的毫米波天线越来越多,与传统形式的波导缝隙阵列天线[7-10]相比,间隙波导缝隙天线允许的制造公差更大[11]。文献[12]介绍了一种采用多层印刷电路板(PCB)工艺制作的Ka 波段圆极化平面阵列天线,所研制的4×4 阵列测试结果显示,在26.4～30.3 GHz 频段内,轴比带宽为14%,峰值增益为18.2 dBi。文献[13]利用叠加的SIW 腔和寄生贴片改进了正常贴片天线,采用顺序旋转馈电网络的天线阵列可实现25.4%的3 dB 轴比带宽和20.32 dBi 的峰值增益。但是,随着频率升高以及尺寸增大,天线的介质损耗会越来越严重。文献[14-16]通过在间隙波导缝隙天线上加载圆极化电磁偶极子天线实现阵列天线的圆极化和高增益,但是该方式在一定程度上增加了天线的剖面。文献[17]提出一种2×2 Ka 波段间隙波段脊间隙波导宽带圆极化缝隙天线阵列,在33.5～37.5 GHz 频带内,其轴比小于3 dB,驻波小于2。现有天线都无法同时满足毫米波车地通信天线所需高增益和辐射扇形波束的要求。

基于脊间隙波导,本文设计研制了一款工作在37～39 GHz 频带的2×16 单元平面圆极化缝隙阵列天线,天线通过环形缝隙单元直接辐射右旋圆极化波,采用脊间隙波导一分三十二路功分器网络实现等幅同相馈电,通过合理设计单元间距与阵列间距,使天线满足毫米波车地通信所需的扇形波束。天线为全金属结构,工作性能稳定,避免了文献[2]中螺旋阵列天线所需的介质套和手动调相,加工更加简单,机械性能更强,实现了毫米波车地通信天线的小型化。

1 天线设计

根据实际工程需求,所设计的毫米波车载天线的主要技术要求包括:工作频带37～39 GHz,增益大于20 dBi,驻波比小于1.5,俯仰面波束宽度约为5°,方位面波束宽度约为30°。为了实现天线所需的扇形波束,同时避免阵列出现较大栅瓣,提出了2×16 单元阵列天线,并对阵列布局进行合理设计,如图1 所示,其中子阵间距为9.4 mm,单元间距为5.7 mm。

图1 天线阵列结构Fig.1 Structure of the antenna array

天线为全金属结构,上层金属板刻蚀环形缝隙,中层为空气间隙,下层是由金属脊、电磁带隙和金属地板构成的脊间隙波导馈电网络,矩形-脊间隙波导转换结构与脊间隙波导馈电网络连接实现阵列的整体馈电。

1.1 天线单元原理

文献[17]提出一种基于脊间隙的圆环形辐射单元,如图2 所示,该单元采用一定长度的L 型金属脊馈电,将端口的电磁波通过金属脊和上层金属板之间的空气层传播至圆环缝隙处,带耦合枝节的圆环缝隙将电磁波以右旋圆极化形式辐射出去。但该单元的耦合枝节宽度为0.26 mm,不能满足高速磁悬浮列车车载天线所需的机械强度,对加工精度也有更高的要求。在该辐射单元基础上,对其整体结构进行优化改进,加宽耦合枝节的宽度为0.5 mm,使其在满足毫米波车地通信天线单元辐射性能的基础上,能够满足毫米波车载通信天线所需的频带和机械强度。

图2 单元结构示意图Fig.2 Structure of the unit

为了确定天线上金属板的厚度t,分析了上金属板对天线单元的影响,如图3 所示,在一定范围内,上金属板的厚度越薄,天线单元的反射与轴比性能越好,综合考量天线的辐射性能与机械强度,天线单元上金属板的厚度t取0.5 mm。优化改进后α取值为4°,单元结构其他各项参数值如表1 所示。仿真得到天线单元方向图如图4 所示,在38 GHz 频点增益为7.5 dBi。天线单元反射及轴比曲线如图5 所示,带内轴比小于2 dB,反射小于-18 dB。

图3 参数t 对单元性能的影响Fig.3 Unit performance with the change of t

表1 天线单元参数值Tab.1 Values of the unit parameters mm

图4 天线单元方向图Fig.4 Radiation pattern of the unit

图5 天线单元反射及轴比曲线Fig.5 Reflection and axial ratio of the unit

1.2 馈电网络设计

为了实现三十二个环形缝隙单元等幅同相馈电,采用五级脊间隙波导T 型一分二结构级联拓扑,形成一分三十二路功分器,金属脊在拐角处进行切角处理,阵列天线整体馈电网络如图6 所示,每一级功分器T 型结构处开三角形槽且增加矩形调谐结构,用于每级功分器之间的阻抗匹配,如图7 所示。脊间隙波导馈电网络中,每条金属脊两侧均铺设不少于1 排的电磁带隙结构单元,将波的传播限制在脊与顶层金属板之间的空气间隙中,使波沿着脊传播,在其他方向和位置,波的传播被截止,采用的电磁带隙单元结构和色散曲线如图8 所示,天线工作频带在该电磁带隙禁带范围内。经过仿真优化,馈电网络整体反射如图9 所示。

图6 天线馈电网络结构Fig.6 Topology of the feed network

图7 T 型结构Fig.7 The structure of T-shape

图8 电磁带隙结构单元和色散曲线Fig.8 The structure of electromagnetic band gap unit and dispersion curves

图9 馈电网络反射Fig.9 The reflection of feed network

脊间隙波导馈电网络与矩形-脊间隙波导转换结构连接,如图10 所示,通过阶梯结构将矩形波导内部能量逐步耦合至脊间隙波导,实现标准矩形波导BJ320 对馈电网络的高效馈电,经过仿真优化,转换结构反射如图11 所示,其关键参数值如表2 所示。

图10 矩形-脊间隙波导转换结构Fig.10 The transfer structure of rectangular-ridge gap waveguide

图11 转换结构反射Fig.11 The reflection of transfer structure

表2 矩形-脊间隙波导转换结构参数值Tab.2 The parameters of the rectangular ridge-gap waveguide transfer structure mm

1.3 阵列整体性能

为了增加阵列整体机械强度同时不影响阵列的辐射性能,对阵列天线模型辐射缝隙周围进行了局部加厚,如图12 所示。阵列主极化方式与单元相同,整体仿真方向图如图13 所示,轴比及增益随频率的变化曲线如图14 所示,反射曲线如图15 所示。仿真结果表明,天线能够辐射车载天线所需的扇形波束且轴向增益大于22 dBi,交叉极化电平小于5.6 dB,轴比小于2.2 dB,反射小于-17 dB。

图12 阵列局部加厚Fig.12 Part of the antenna is thickened

图13 不同频率下的天线辐射方向图Fig.13 Radiation pattern of the antenna at different frequencies

图14 天线轴比及增益Fig.14 Axial ratio and gain of the antenna

图15 天线反射Fig.15 Reflection of the antenna

2 实验

天线加工实物如图16 所示,整体尺寸为136 mm(长)×65 mm(宽)×5.35 mm(高),与文献[1]中的反射面天线相比,大大减小了天线的体积。为验证设计的准确性,在微波暗室中,对天线进行全面测试,如图17 所示。图18 为测试得到的天线驻波曲线,测试结果表明,天线在37～39 GHz 频带范围内,驻波比小于1.42。天线在37,38 和39 GHz 测试的归一化方向图如图19 所示,天线方向图的仿真与测试结果主瓣一致性较好,但副瓣及远副瓣没有较好的吻合,主要是由天线的加工精度以及实验误差造成的。实验结果表明该天线可以在轴向方向实现良好的扇形波束辐射。

图16 天线加工实物图Fig.16 Photograph of the fabricated antenna array

图17 天线测试图Fig.17 Photograph of the measurement of the antenna

图18 天线测试驻波Fig.18 Measured VSWR of the antenna

图19 天线在不同频点的归一化方向图Fig.19 Normalized radiation pattern of the antenna at different frequencies

表3 总结了天线在不同频点的测试性能。结果表明,所设计的阵列天线在37～39 GHz 的频带范围内实现了微波的轴向辐射,增益大于21 dBi,轴比小于3 dB,俯仰面波束宽度不大于5°,方位面约等于35°。因此所设计的阵列天线可以满足毫米波车地通信天线的研制要求。

表3 天线各项测试性能Tab.3 Measured performances of the antenna

3 结论

本文提出并研究了一种应用于毫米波车地通信的小型化间隙波导缝隙阵列天线。天线为全金属结构,采用标准矩形波导中心馈电,脊间隙波导一分三十二路功分并馈的馈电形式,避免了远离中心频点波束指向偏转的问题。天线在37～39 GHz 频带内增益大于21 dBi,轴比小于3 dB,驻波小于1.5,波束宽度约为35°×4.5°,具有较高增益、低驻波、良好轴比、辐射扇形波束、宽频带等优点。与反射面天线相比,实现了小型化,与螺旋阵列天线相比,具有稳定的机械性能与辐射性能,通过实验证明了该天线用于毫米波车地通信的可行性。