一种高增益宽带圆极化漏波天线的设计与仿真

霍兴瀛，李铮

（1.六盘水师范学院计算机科学学院，贵州 六盘水 553000；2.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）

在雷达、卫星、移动通信等众多的无线通信系统中，天线变得越发重要。与线极化天线相比，圆极化天线在许多应用中显示出更多的优势，它对发射天线和接收天线之间的方向角度没有苛刻的要求，从而带来更强的灵活性和机动性，并在天气状况较差时呈现出更强的穿透性。不仅如此，在雷达探测和卫星通信应用中，圆极化天线仍然是消除极化失配和减少多径干扰的最好选择。近年来，人们不断提出基于不同辐射机理的圆极化天线。如东南大学毫米波国家重点实验室［1］提出了一种以单极片为中心的环形寄生元件，可实现低轮廓锥形圆极化辐射，不仅如此，他们还提出了一种介质集成波导天线［2］，利用两组径向和周向的正交电流源实现圆极化辐射。苏米特（Sumit Karki）团队［3］设计了一种新型的圆极化天线，利用两个正交的寄生辐射单元包围中心单极子，通过调整其包裹距离可以实现波束角度扫描。杨宇航［4］提出了一种圆形弯曲微带传输线馈电结构，可在方形贴片阵列侧向实现圆极化辐射。巴特查吉（Bhattacharjee Ankit）［5］设计了一种圆极化平面单极天线，能够在两个不同频段实现方向图可重构。宋（Son）及李康允等人［6］提出了一种低剖面的圆极化磁电偶极子天线，并设计微带线孔径耦合馈电结构以提高天线圆极化带宽。纳克拉（Anirudh Nakra）等人［7］提出了一种基于对拓开槽的维瓦尔第（Vavaldi）结构的具有良好圆极化特性的高增益阵列天线。

研究发现，上述圆极化天线大多采用微带线传输结构，具有外形小巧、重量轻、易于制作等优点。然而，随着工作频率的增加，介质基底及金属贴片所带来的损耗都会剧烈增加，从而导致天线效率降低［8，9］。为进一步提高天线辐射效率，本文采用平面高保线代替传统微带线来激励周期性辐射贴片，并去掉地板，利用发射器将下层金属贴片的辐射镜像反射，与上层贴片的辐射在空间叠加来设计圆极化漏波天线［10］。

1 天线结构与机理

本文设计了如图1所示的圆极化漏波天线结构与参数。

图1 圆极化漏波天线结构与参数

由图1 可知，圆极化漏波天线主要由介质基板、周期性辐射单元及反射器构成（图1 a）。圆极化辐射单元由两组组合型贴片组成，分别位于介质基板上下两侧，上下两组贴片在空间正交，以降低天线交叉极化（图1 b）。上表面的贴片组由两个完全一样的组合型金属贴片组成，分别位于中心馈线左右两侧，且中心距离为半个周期（图1c）。

1.1 能量传输与机理

该天线采用平面高保线作为馈电结构，为了在仿真中利用波端口对漏波天线进行馈电，需要设计共面波导与中心馈线来实现能量的传输。为了保证能量从波端口到辐射结构的有效传输，需要降低能量在共面波导与中心馈线这部分结构中的反射，因此研究首先对共面波导进行设计，结构设计及参数如图1 b所示。在波导前端，使之与中心馈线的距离w1保持均匀，当共面波导长度lc1足够长时，匹配区1 可以等效为波导并与波端口匹配，保障电磁波在波端口与共面波导之间有良好的传输特性，从而减小电磁反射，保证能量有效馈入；在共面波导后半部分，设计波导与中心馈线的间距逐步从w1增大到w2，调节共面波导长度lc2，可使能量在匹配区2 逐步扩散到整个天线口面，实现平稳过渡，从而减小电磁反射，完成能量从波端口到共面波导，再到天线口面整个区域内的有效传输，从而实现天线阻抗匹配［11］。

1.2 圆极化单元设计

本文所提出的圆极化天线是利用平面高保线馈电的一条沿介质基板上表面中心的金属线［12］，宽度为wp，它能够抑制漏波天线基模辐射，使天线成为慢波结构［13］，不能直接产生辐射。因此，需要在介质表面设计周期性结构，对介质中的慢波进行扰动，从而在天线口面获得周期性电场，而周期性电场可以表示成无穷多个谐波，因此，对周期性参数进行设计，可使天线利用空间谐波产生辐射。

本设计所利用的周期性结构为金属贴片，根据电磁场理论，圆极化辐射的实现需要两个基本条件：一是Eθ和Eφ两个相同幅度的正交场分量；二是两正交场分量之间的90°相位差。这就要求辐射单元能够在横向和纵向两个方向与中心馈线实现能量耦合，且两个场分量能在空间正交并产生90°相位差。因此，提出一种组合型辐射单元结构，该结构由上下边缘的两个对称直角等腰三角形与中心矩形组合而成，其中，三角形直角边长为Tc，矩形长边边长为Rc，贴片中心线与y 轴夹角为θ，其结构及参数如图1 c 所示。为了获得空间相位差，并且实现辐射波束的对称性，周期性结构辐射单元需由4个组合型贴片（左上、左下、右上、右下）组成，分别设在介质基板上下两侧，以降低交叉极化。其中，深黄色（深色）贴片为上层贴片，浅黄色（浅色）贴片为下层贴片，如图1 b所示。位于介质板上表面的贴片（左上、右上）旋转角度为θ（围绕贴片中心，与y轴夹角），另一组位于介质基板下侧的贴片（左下、右下），旋转角度为θ+90°，与上层贴片正交。位于同一层的每组单元又由中心馈线两侧结构相同的两个贴片组成，设置两同层贴片的中心距离为半个周期以实现相位补偿。同时，设计上下两个正交的贴片的纵向和横向距离分别为Xd和Yd，用来调节两正交场分量的相位差。介质基板上表面中心馈线两侧贴片的中心点到馈线的距离相等，为Sd，主要决定贴片与馈线间的能量耦合，距离越远，能量耦合越弱，最终决定天线辐射效率。

对于本文所提出的周期性圆极化漏波天线，首先对贴片尺寸（Tc，Rc）与旋转角θ进行优化，使天线在远场产生两个等幅度的正交场，即可满足第一个圆极化辐射条件；然后通过调整介质基底厚度h和优化两组正交贴片在纵向和横向之间的位置偏差Xd和Yd，实现场分量90°相差，即可满足第二个圆极化辐射条件，从而使该漏波天线辐射圆极化波束。

1.3 周期性结构设计

本文所提出的圆极化天线共有10 组辐射单元，沿着天线口面等间距分布，天线利用辐射单元的周期性对漏波结构中传输的慢波进行扰动，在天线口面产生无穷多个谐波，不同的空间谐波有不同的传播常数βzm，对应着不同的辐射方向，其大小由基模的传播常数βz0 和周期P来共同决定。

根据周期型漏波天线谐波辐射机理，若其自由空间传播常数为k0，基波传播常数为βz0，辐射单元周期为P，则第m次谐波的辐射条件［10］为：

对于慢波结构来说，介质中的传播常数是大于自由空间波数的，即：βz0＞k0。因此，从公式（1）可以看出，只有m＜0情况所对应的负次谐波才可能使得谐波的传播常数βzm小于自由空间波数k0，从而满足m次谐波辐射条件：

可以看出，当m=-1 时，周期P 能够最先满足辐射条件，当周期逐渐增大，会依次满足m=-2，m=-3 等多次空间谐波的辐射条件，不同空间谐波对应不同的辐射方向。为了保证空间只产生单一方向波束，需要抑制高次谐波的辐射，即周期P 只能满足m=-1 时的辐射条件而不能满足m=-2 时的辐射条件。因此，本文设置周期P为4.7 mm（0.674λ0，中心频率为f0=43 GHz），以保证天线只存在-1次谐波辐射。

在该天线中，由于贴片位于介质基板两侧，因此上下两个空间都会产生辐射，且辐射方向相反，不仅如此，上下层贴片产生的辐射场的极化方式也相反（左旋或右旋）。因此，需要在介质基板下方设计反射器，该反射器不仅能够将向下辐射的能量反射到上半空间，还能对电场进行极化反转，保证天线只产生向上的单一极化方式的圆极化辐射。该反射器与介质基板底下表面距离为hf，可通过仿真对其进行优化。

2 仿真与结果

首先确定该圆极化漏波天线工作在f0=43 GHz附近，为便于仿真及结果分析，确定使用损耗正切和介电常数分别为tanδ=0.02和εr=1.8的介质基板，然后确定介质板的尺寸（ws，ls）和反射器尺寸（wf，lf）。波端口的尺寸根据工作频率来确定后，利用仿真优化共面波导区域1和区域2的尺寸（w1，lc1）（w2，lc2），实现无辐射结构时的阻抗匹配。然后设计周期性圆极化辐射结构，包括辐射单元尺寸（Tc，Rc）、正交贴片相对位置（Xd，Yd）、贴片旋转角度θ等。研究利用三维全波电磁场（Computer Simulation Technology，CST）仿真软件对天线传输及辐射特性进行分析，依次对天线各参数进行优化。通过尝试，获得一组如表1 所示的参数，使得该圆极化漏波天线在41.5 GHz-49 GHz 频段同时具有良好的传输特性及圆极化辐射特性。

表1 天线参数

天线S参数的仿真结果如图2所示。

图2 天线S参数仿真结果

由图2可以看出，在没有周期性辐射结构时，天线在30 GHz-60 GHz 频段范围内S11都低于-10 dB，在中心频点43 GHz附近低至-23.2 dB，这说明基于平面高保线的渐变型共面波导设计，可以保证能量从波端口到天线的有效传输，此时天线没有辐射，但S21却不为0，这是因为能量在传输时存在介质损耗，且能量从波端口进入天线时存在一定的反射。当天线口面增加周期性辐射单元后，能量在天线中一边传输，一边辐射，因此S21值比不辐射时降低了很多，在-12 dB左右。而周期性辐射单元的引入使得天线结构存在不连续性，会增大能量在传输时的反射，因此，S11值比不辐射时有所增大，如43 GHz 频点处的S11从-23.2 dB增大到-20.66 dB，但天线反射仍然保持在较低水平，并且在整个频带宽度内辐射效率都大于90%。

如图3 所示，给出了43 GHz 时天线在方位面的主极化和交叉极化分量及辐射增益。

图3 天线辐射增益、主极化与交叉极化的仿真结果

由图3 可以看出，由于天线利用-1 次谐波辐射，主波束方向在后向-24°，最大增益为18.5 dBic，且主瓣方向交叉极化低于-19 dB。

如图4 所示，给出了不同频率时天线的增益及轴比分布。

图4 不同频率时天线辐射增益与轴比的仿真结果

由图4 可以看出，当频率从41.5 GHz 增大到49 GHz 时，辐射主波束随频率增大不断从后向朝侧向扫描，但天线增益都能保持在18 dBic 附近，且最大掉落不到1 dB。不仅如此，在主波束3 dB功率宽度范围内，轴比都保持在3 dB以内，说明该周期型漏波天线具有很好的宽带圆极化特性。可以看出，天线的3 dB 轴比带宽约为8.5 GHz（从41.5 GHz 到49 GHz），相对带宽为19.8%（中心频率43 GHz）。

如图5 所示，给出了电磁波能量沿该天线纵向的传播状态。

图5 天线口面电磁能量传播形态

由图5 可以看出，天线中的大部分能量以行波的形式沿着纵向传播，且主要集中在周期性辐射结构周围，说明远场辐射主要由圆极化单元产生，且能量一边传输一边辐射，沿着天线口面逐渐减弱。

如图6 所示，给出了当相位从0°变化到270°时，天线口面一个辐射单元附近的电场矢量变化。

图6 天线口面辐射贴片周围电场在一个周期内的矢量分布

由图6 可以看出，天线口面电场矢量末端轨迹在一个周期内逆时针旋转，从而解释了产生右旋圆极化辐射的机理。

3 结论

本文提出并分析了一种基于毫米波频段的、具有圆极化特性的周期漏波天线，该天线基于低损耗平面高保线，设计渐变型共面波导实现阻抗匹配，并利用反射器产生上半空间单一偏振的圆极化波束。圆极化辐射单元为两组正交的组合型贴片，天线共有10 个周期单元，优化后可以实现19.8%的3 dB 轴比带宽，且天线效率超过90%，最大增益为18.5 dBic。该天线结构简单，传输特性及圆极化辐射性能优良，对于毫米波频段无线通信有很好的应用前景。