基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线

25. 2 dBic基
仿真预期。通过对
实
测增益和仿真方向性
图8
仿真 测 对
Fig. 8 Simulation and measured gain
沿9方向，表示沿9方向的电
被'
贴片
的电场主要集
9方向，表示沿'
方向的
被％
t—T/4和3T/4时,表示沿'方向的电
9方向的
被％
$ 、可 和沿
综上分析，沿9方向的等效磁偶极子和沿'方
向的电 '方向的
产生'On方向的 化 和沿9方向的电
，同时沿 产生
9。之方向的 化辐射。这两种正交极化间的
存在T/4 延迟，即 90。，同时两种正交极化
图2 阵列天线结构示意图 Fig. 2 Structure diagram of array antenna
阵列
三
电常
2.2$ 为
0.762 mm的介质板 ％
单元
质板
1中,介质板1的 和介质板2的
有
，用以
个 单元。受限于SIW的宽
度，将馈电网络分 两个部分，分别
质板
2和介质板3上%
单元馈电的末 路的
阵列天线的设计。天线实测结果表明，该阵列天线能够在52.8〜67.2 GHz实现VSWRV2 (相对带宽为
23. 3%),3 dB轴比带宽达到20.2%,天线增益大于25.2 dBic,辐射效率超过71. 5%,是一种较优的毫米波宽
带圆极化阵列形式。
关键词：宽带;圆极化;孔径耦合;磁电偶极子
中图分类号：TN821
张晓玲等：基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线
53
够提供更有竞争力的信道特性 干扰能力3 %因
此，具有 化特性的阵列
米波
的优
式。
米波阵列
，单元
式的选
至关
：一方面单元 特性 列特性的一
个决定性因素;另一方面，单元 的
式直接
列 的可集
、结构复
特性％对
米波阵列 ，常见
广泛应用的单元天
式有：微带贴片
⑷、腔体
内
(c之比，即：
式(1)中(h和(分别表示工作频带的上限 和下
限频率(c为工作频带的
％
带宽又具体
分为阻抗带宽、极化带宽、增益带 方向图带 $
通常
，天线带宽大于10%即为宽带天线％
12圆极化天线
根据
的电磁波
化
化，相
应的 称
化
化%
化 的极化波
它
的电磁
波的 AR(axial ratio) $即
化波的
和
"表j,换算为dB表示的
波比测试和仿真对
如图6所示。
装配工艺的 $
波
有
大体上基本保持 $
波
2的带宽
大于23. 3%(52. 8〜67. 2 GHz)。天线在工作频带
内 特性的实测和仿真对
如图7所示，实
测和仿真基本保持 ，实测
3 dB的
带宽大于20. 2%(54. 1〜66. 3 GHz)。天线增益的
实测和仿真对
如图8所示，天线实测 大
文献标识码：A
文章编号:1008-1194(2021)03-0052-05
A Millimeter Wave Wideband Circularly Polarized Antenna Based on Aperture-coupled
ZHANG Xiaoling,XU Yuanyuan, WANG Zhen,FU Xiaotian
comparisonoftheantenna
52 54 56 58 60 62 64 66 68
频率/GHz
图7
仿真 测 对
Fig.7 Simulationandmeasuredaxialratio
comparison of the antenna
图5阵列天线加工实物图 Fig.5 Photographsofthefabricatedarayantenna
AR=
201g(厂)，当厂=1或AR=0 dB时，即为纯正的圆极
化;当厂=兀或AR = j dB时，即为纯正的 化。
$ 不大 3dB 的 带 义
的化
带宽％ 指与
化
单
化等向性点
1・3阵列天线排布 列 的性能与单元
元数目和排布形式相关％
dBic表示,是
对
％
、单元
距、单
，天线单元间距是根
(a)单元天线俯视及侧视图
(Xi'an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi'an 710065, China) Abstract: A circularly polarized (CP) aperture-coupled magneto-electric (ME) dipole antenna applied to millimeterwavewasproposedinthispaper.TheCP ME-dipoleantennafedbyatransverseslotetchedonthebroad wall of a section of shorted-end substrate integrated waveguide (SIW) was convenient to integrate into substrates.Thewholestructurewascomposedoffourverticalmetalicpinsandfourhorizontalpatches.Theplanar electricdipolewasatributedtothetwopairsofhorizontalpatches, whilethemagneticdipoleisrealizedbythe aperturebetweenthepatches.InordertogenerateCPradiation, anadditionalmetalicstripwasintroducedto connecttwopatchsectionslocatedatdiagonalpositions.Besides, theinnercornersoftheotherpairofpatch sectionswerecutpartialy.Basedonthestableunidirectionalradiationpaternsoftheantennaelement,an8X8 high-gainwidebandplanarantennaarraywasproposedfor60GHzmilimeterwaveapplications.Themeasured impedance bandwidth of the fabricated prototype was 23. 3% for | S11 |V — 10 dB. Because of the wide AR bandwidth of the new antenna element, a wide AR bandwidth of 20. 2% could be achieved by this array. Gain up to25.2dBicandgoodradiationeficiencyofaround71.5% werealsoobtainedduetotheuseofaful-corporate SIW feed network. Key words: wideband； circularly polarized； aperture-coupled； magneto-electric(ME) dipole
inoneperiodonthesurfaceofunitantenna
3.2实物测试验证
全波电磁仿真软件Ansott HFSS中对天线
进行仿真分析，通过优化
实
求。依据 制作出 实物，如图5所示。
图6天线驻波比仿真及测试对比结果 Fig. 6 Simulation and measured VSWR
对角
贴片的内角 ，以此实 SIW
电的部分
能量耦合到磁电偶极子天线的正交方向上$配合调
整 贴片、金 带及贴片
的尺寸可实现
化％
天线具体尺寸为:L1 — 4. 8 mm，L2 — 2. 0 mm， L3—0.7 mm$W1—4.8 mm$W2—3.1 mm$W3—
0. 2 mm,Dl —0. 3 mm,Hl = H2 —0. 762 mm,L4 —
K1 (b)单元天线辐射贴片局部示意图
图1单元天线结构尺寸示意图 Fig. 1 Schematic diagram of unit antenna structure size
SIW
与 行的
与其垂直的电
和
，实
化工作$
化 实
给两个正交模式
90°?
电,
பைடு நூலகம்
化$
引入金属条带
54
探测与控制学报
两个对角
的 贴片$
张晓玲等：基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线
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的幅度基本一致$因此实现了圆极化辐射
作频率60 GHz处大于71.5%$主要的损耗来自 SIW的多级馈电网络。
图4单元天线表面一个周期内电流及电场分布示意图 Fig.4 Distributiondiagramofcurentandelectricfield
毫米波宽带圆极化阵列天线。该天线使用基于孔径耦合的磁电偶极子宽带圆极化天线作为天线单元,天线单
元由四个水平方向的贴片和四个垂直方向的金属通孔组成,通过引入额外的金属条连接对角位置的两个贴片
同时将另一对贴片内角剪切，将圆极化带宽提升到20%以上。天线单元的馈电通过在末端短路的基片集成波
导(SIW)宽边上开横向槽耦合实现。在此基础上利用SIW制作馈电网络，实现毫米波8X8高增益宽带圆极化
SIW部分
质板2中，四个 的SIW部分
个2X2 -
电网络，剩余的一分16
SIW馈电网络
质板3中$6个输出 分
别给16个2X2
电。图3所示 列天
3.1圆极化天线单元电流电场分布仿真
单元 电流分布和
的电场分布情
仿真 如图4所示，验证了孔
的工作机制。
T
作
电 对应的一
个周期$
t —0和T/2时$占片中大 电流
介质板1 洛'介质板2
介质板3
第一层
第—•层
吐I 2 -?X-K°5 q O O O
o......... 二
"XJt入口
^9 o p o o o o
第三层
图3 2X2子阵结构及馈电网络 Fig. 3 Structure of 2X2 subarray and feeding network
3仿真与测试验证
第43卷第"期 2021年6月
探测与控制学报 Journal of Detection & Control
Vol.43No.3 Jun.2$21
基于孔径耦合的毫米波宽带圆极化阵列天线
张晓玲，徐渊源，王震，符晓天
(西安机电信息技术研究所，陕西西安710065)
扌商要：针对毫米波宽带圆极化阵列天线设计中轴比带宽和外形尺寸较难兼顾的问题,提出基于孔径耦合的
线2X2 的具体
式 电网络图。缝隙
B
质板2的
质板3的 ，用于
两
的
％ 2X2
“H形”馈电网
络,可以实
的工作带宽内
B的
出四个部分
A%
通过一
分16的 SIW网络 对整个 的馈电，并
网络 带范围内特性稳定，有效避免了 ：效
应。
列
单元的尺寸进行了 优
化，以
好的阻
特性。
a___ J
缝隙A
孔径耦合 圆极化天 线单元 缝隙A 缝隙龙汴紐叡
2. 2 mm，L5 = 1. 02 mm，L6 = 0. 93 mm，61 = 62 =
1. 0 mm,Sl —S2 —0. 15 mm,"1 — 0 . 28 mm,L7 —
0 • 4 mm。
2.2基于孔径耦合的宽带圆极化阵列天
实带
化阵列 ，在孔径耦
合磁电
化 单元基 ，设计了一种
8X8 化
列$吉构如图2所示。
5、纟 天
%
具有
实：
列排布，但其3 dB 带宽大 窄不超过10%$
带 常都大
米波的宽带应用。其他
的
* 式911 $
个波长，即不 应
绍了轴
电尺寸通 列排布％本
针对此问题,提出了基于孔
的毫米波宽带
化列
%
据避免出 板的条件 的。阵列天线不出现栅
* 板的单元间距条件是)2 :
式(2)中列扫描角度%对于边射阵,单元间
0引言
近年来，对毫米波天线技术的研究引起了越来 越多的关注。髦米波应用具有工作带宽宽、一定口
"收稿日期：20210120 作者简介:张晓玲(1988—),女，山西河津人，硕士。
径下波束宽度窄、分辨率高、传播受气候影响小、更 容 * 易小型化等优点口 。但是毫米波在大气传输中存 在严重衰减囚，为了补偿该衰减，通常应用于毫米波 的天线为具有高增益特性的阵列天线;另一方面，针 对毫米波研究表明，相比线极化形式，圆极化形式能
距
波长儿
2基于孑L径耦合的宽带圆极化阵列天线
2.1基于孔径耦合的宽带圆极化天线单元
了实现宽带 化$
孔
应磁
电
，兼顾 优势。利用SIW馈电的孑L
的磁电
单元
如图1所示。
基板为馈电结构，上层基板
%
1宽带圆极化阵列天线简述
11天线带宽 带宽通常有两种表示方法$ —种称为“相对
带宽.其定义
的绝对带宽2(与工作频带