一种基片集成波导馈电的毫米波磁电偶极子天线设计*
2021-11-10王志愿杨钰琦魏彦玉
王 兵，王志愿，杨钰琦，魏彦玉
(1.重庆邮电大学 电子信息与网络工程研究院，重庆 400065；2.电子科技大学 电子科学与工程学院，成都 611731)
0 引言
随着通信技术的飞速发展，微波低频段的频谱干扰日趋严重，已经不能满足人类的通信需求，因此人们越来越关注频谱资源丰富的毫米波频段。毫米波不仅频带宽，而且具有传输速度快、通信安全性高、传输质量好等优点，极大的弥补了微波低频传输的缺点，因此，毫米波技术已成为通信科研工作者的研究热点。天线作为通信器件的射频前端，在毫米波通信技术中具有举足轻重的作用[1-4]。微波低频段常采用的微带天线具有结构简单、易于集成等优点，但是微带天线传输损耗大、频带窄、传输效率低，在毫米波通信系统中的应用有限，因此研究适用于毫米波通信的天线一直是科研工作者的重要研究目标[5-7]。
磁电偶极子天线由于具有宽频带、交叉极化低、E 面和 H 面辐射方向图相似、增益稳定、后向辐射小等优点在毫米波通信系统中得到了广泛的应用[8-9]。作为一种新型的平面天线，磁电偶极子天线具有馈电方式灵活，可以采用多种馈电方式[10]。基片集成波导(SIW)通过在低损耗、低剖面的介质基板上打若干排金属化通孔来实现电磁波的传输，是近几年工程应用研究较多的一种导波结构[11-14]。基片集成波导与传统的金属波导对比，具有易于集成、体积小、易于加工、重量轻等优点[15]。在毫米波频段采用基片集成波导对磁电偶极子天线进行馈电可以将电磁波束缚在腔体内部，从而防止信号泄露，降低传输损耗，改善天线带宽[16]。
本文基于磁电偶极子天线的基本原理，设计了一种毫米波频段的磁电偶极子天线。该天线由基片集成波导馈电结构构成，基片集成波导是一种封闭的结构，可以有效抑制电磁型号的泄露，从而抑制表面波损耗和电磁杂散，降低干扰。采用金属贴片和矩形缝隙来等效电偶极子和磁偶极子，金属贴片通过三个金属通孔与基片集成波导的上层地板相连，金属通孔对称分布在基片集成波导中心线两侧。通过矩形缝隙将能量耦合给金属贴片，提高天线辐射效率。在金属贴片上蚀刻的H型缝隙，可以优化电流的路径，改善天线的谐振和匹配特性。该天线具有宽频带、低交叉极化、良好方向图一致性、易于制造等优点。
1 磁电偶极子天线基本原理
磁电偶极子天线将磁偶极子和电偶极子进行组合，实现稳定的方向图。由于磁偶极子的H面方向图为“8”字形状，E面方向图为“O”字形状，而电偶极子的H面方向图为“O”字形状，而E面方向图为“8”字形状， 因此可以将磁偶极子和电偶极子结合在一起，使得它们的方向图相互补偿。由于磁偶极子和电偶极子的磁场和电场互换了位置，因此将它们结合在一起后前向辐射会得到加强，后向辐射相互抵消，从而使得磁电偶极子天线能产生更好的前向辐射增益，同时在工作频段内增益也更稳定、交叉极化低。当磁偶极子与电偶极子在同一平面，空间相差90°放置时，可形成E面、H面对称的心形方向图，如图1所示。
图1 磁电偶极子方向图原理
2 天线的仿真设计
2.1 天线仿真结构
天线的结构如图2和图3 所示，由于天线的工作频率较高，因此采用高频段介质损耗较小的Rogers RT/duroid5880介质基片，该基片的介电常数为2.2，损耗正切为0.001，介质基片1的厚度为0.762 mm，介质基片2的厚度为1 mm，介质基片1和介质基片2可通过在天线四周设置固定孔通过尼龙螺丝进行固定。介质基片1和通孔构成基片集成波导结构，在介质基片1的上层地板上蚀刻矩形缝隙。介质基片2的上表面是蚀刻H缝隙的金属贴片，金属贴片与矩形缝隙的几何中心重合，且两者对称分布在 SIW 中心线的两侧。缝隙等效为磁偶极子，金属贴片等效为电偶极子。金属贴片通过三个金属通孔与上层地板相连，金属通孔对称分布在基片集成波导中心线两侧，金属贴片通过缝隙和金属通孔进行激励。通过三维电磁仿真软件HFSS对模型进行优化计算仿真，得到的尺寸参数如表1所列。
图2 天线的三维模型图
图3 天线的结构示意图
表1 天线尺寸参数表
2.2 天线的仿真结果
通过对模型的优化仿真，天线的驻波比如图4所示。
图4 电压驻波比仿真结果
从图可以看出天线的工作频段为24.5 GHz～33 GHz；在26 GHz～33 GHz的频段内驻波比均小于1.5。图5是天线在工作频带内的增益曲线图，从图中可以看出天线在24.5 GHz～33 GHz的频率范围内增益均大于5.5 dBi，在工作频带范围内增益稳定。图6给出了天线在28 GHz的3D方向图，可以看出天线的增益达到7.3 dBi。
图5 天线的增益
图6 天线在28 GHz的三维辐射图
图7为天线分别在28 GHz、30 GHz和32 GHz的E面和H面方向图，可以看出在天线的工作频段内，H面和E面的方向图接近,天线具有较低的交叉极化分量，交叉极化控制在-30 dB左右，和前面对磁电偶极子的分析一样，天线的方向图有很好的对称性。
(a)28 GHz
(b)30 GHz
(c)32 GHz
3 结论
本文采用基片集成波导结构使毫米波磁电偶极子天线在介质基板上得以实现。由于基片集成波导属于封闭结构，使得表面波辐射得到了有效的抑制，天线的匹配和增益得到了改善，通过矩形缝隙将更多的能量耦合给金属贴片，使天线的辐射效率得到了提高。采用电磁仿真软件HFSS对天线进行优化设计，经过仿真计算，天线工作在24.5 GHz～33 GHz，增益在阻抗带宽内大于5.5 dBi，交叉极化比小于-30 dBi，增益稳定，具有良好的方向图。该基片集成波导馈电的磁电偶极子天线具有结构简单、宽工作频带、增益稳定、低交叉极化、易于加工等特点，在毫米波无线通信系统中有着良好的应用前景。
