非偏置间隙波导缝隙天线设计

方 鑫,李 想,2,王 昊,,权双龙

(1.南湖实验室,浙江 嘉兴 314002;2.电磁空间认知与智能控制技术实验室,北京 100191;3.南京理工大学,江苏 南京 210094)

0 引 言

天线在各种无线通讯系统中,是重要的前端器件,主要功能是接收和发射空间中无线电波的能量。在自由空间中,毫米波具有较为严重的路径损耗和大气损耗,在毫米波段,波导缝隙阵列天线更具优势。波导缝隙天线阵列一般由许多开在矩形金属波导壁上的缝隙组成,具有口径分布易于控制、易于实现窄波束宽度、副瓣电平低、损耗低、容量大、结构紧凑牢固、易于集成等诸多优点[1-2]。

间隙波导通过将金属柱周期性排列形成了电磁带隙结构,阻断了电磁波的传播。两侧的电磁带隙结构与顶层金属板之间存在一定高度的空气间隙,在加工装配中不需要严格的电连接,极大地降低了加工难度。因此,间隙波导不仅具有与矩形波导可比拟的传输性能,而且克服了矩形波导剖面高、体积大,加工装配要求高、成本过高的缺点,为毫米波天线的设计提供了新的选择[3-4]。

本文基于槽线间隙波导(GWG)技术设计了一款非偏置缝隙天线。通过金属膜片对GWG中场进行微扰,实现了非偏置的缝隙天线,并利用不同的梢钉结构来进行电容电感值的补偿匹配。天线由同轴连接器从中心馈电,仿真结果表明了天线设计实现的可行性,该天线具有增益高、低交叉极化、功率容量大、易于加工装配等特点。

1 GWG结构设计

槽型间隙波导(GGWG),由上下两块平行的金属板、两侧的周期性电磁带隙(EBG)结构组成[5-8]。EBG结构形成高阻抗表面,破坏了平行板模式。根据麦克斯韦方程推导,当上层金属板与其距离小于1/4空气波长时,任何方向的电磁波都不能传播,电磁波只能在板间的槽结构之间传播。EBG结构与上层金属板间空气间隙的存在,使得GWG板间不需要严格电连接,这是GWG的显著优点。与矩形空腔波导的传输特性类似,主要传输模式为TE10模,电磁波主要在平行板之间的沟槽传播,槽宽决定传输模式。

纯金属结构GWG如图1所示,通常需要至少两排金属梢钉形式的EBG结构。笔者利用HFSS的特征模Eigenmode模块,分析了其理想磁导体(PMC)和阻带特性。GWG传输线的物理尺寸与阻带特性如图2所示。其阻带范围为23～58 GHz。对GWG传输线进行S参数计算,传输线带宽能够满足30～50 GHz频率范围。GWG传输线S参数如图3所示。

图1 GWG结构示意图

图2 周期梢钉结构尺寸以及本征模分析

图3 GWG传输线S参数

2 天线结构分析与设计

GWG传输线主要传输模式为TE10模,与矩形空腔波导传输特性类似。常见的宽边波导缝隙天线通过偏置纵向缝隙切割波导电流方式进行辐射。对于非偏置缝隙,由于没有切割电流,无法进行能量辐射,因此在缝隙侧边采用了金属膜片对GWG中的场进行围绕,从而实现电流切割[9-10]。为保证单元间相位一致性,金属膜片的位置在缝隙左右依次排列,如图4所示。图5展示了加金属膜片前后的表面电流分布,加膜片前缝隙未切割电流,表面电流能量很小。加金属膜片后缝隙产生了电流切割,产生了电流辐射。

图4 金属膜片激励非偏置缝隙结构

图5 加膜片前后GWG表面电流

对加了金属膜片的缝隙进行等效电路的模型分析,将辐射缝隙等效为并联导纳,导纳又等效为一个RLC串联电路[11]。GWG缝隙等效电路模型如图6所示。调整金属膜片的尺寸可以调整缝隙的导纳值,图7为计算出的缝隙模型对应的导纳值,包含实部与虚部,Y=G+jB。可见在金属膜片的激励下产生了辐射,但也带来了较大的电容分量,即B值偏大。为了补偿该电容分量,在GWG下层增加了金属梢钉结构,位于缝隙两边依次排列,如图8所示,从而进行电感补偿。图9为增加金属梢钉结构后的导纳值分布,可见金属梢钉对于电导有一定的影响,对于电纳的电感分量补偿有效。优化调整金属膜片和金属梢钉的尺寸,使两者之间达到较好的匹配效果。

图6 GWG缝隙等效电路模型

图7 导纳值分布(加梢钉补偿前)

图8 金属梢钉结构示意图

图9 导纳值分布(加梢钉补偿后)

3 仿真结果与分析

利用上述非偏置缝隙作为天线阵列的辐射元件,设计了1个八单元中心馈电的缝隙阵列天线,如图10所示。采用尾端为圆盘结构的同轴连接器磁耦合进行馈电。

图10 八单元缝隙天线模型

图11～图12为利用HFSS仿真软件计算天线的电压驻波比(VSWR)和方向图结果。结果显示天线在34.04～37.6 GHz频带内VSWR小于2,带内方向图如图12所示,主瓣内交叉极化低于-40 dB,天线效率大于85%。

图11 天线VSWR仿真结果

图12 天线方向图仿真结果

4 结束语

本文基于槽线间隙波导技术设计了一款非偏置缝隙天线。通过金属膜片对GWG中场进行微扰,实现了非偏置的缝隙天线。并利用金属梢钉结构来进行电容电感值的补偿匹配。设计了八单元缝隙天线,由同轴连接器从中心馈电,仿真结果表明了天线在34.04～37.6 GHz频带内VSWR小于2,主瓣内交叉极化低于-40 dB,天线效率大于85%。该天线具有效率高、交叉极化低、功率容量大、易于加工装配等特点。