應用于毫米波車地通信的小型化間隙波導縫隙陣列天線設計

第五健健,張健穹,王慶峰,李相強

(西南交通大學 物理科學與技術學院,四川 成都 610031)

車載天線是高速磁懸浮列車毫米波無線通信的關鍵部件之一,要求其具有圓極化和扇形波束輻射(俯仰面波束寬度小、方位面波束寬度大)等特性。文獻[1]提出一種反射面天線,產生了波束寬度為7.6°×24.8°的扇形波束和圓極化輻射,實現了磁懸浮列車的毫米波通信,但是該方案存在的主要不足是天線體積較大,高度較高,影響列車的高速運行。2020 年,鄂蘊剛[2]提出一種28 單元的中心饋電小型化波導螺旋陣列天線,該天線饋電系統采用同軸波導中心饋電、四路矩形波導并饋的形式,實現了所有單元的等幅同相饋電,大幅度降低了車地通信天線的尺寸。但是該方案仍存在以下不足:一是加工精度高,難度大;二是所有螺旋單元均采用介質套進行懸空固定,天線的晃動或震動會引起螺旋的旋轉和錯位,天線機械穩定性差,不利于工程應用;三是所有螺旋需要手動旋轉調相,容易產生相位誤差,不能較好保證天線工作性能的穩定。

隨著無線通信系統的蓬勃發展,天線作為毫米波系統的關鍵部件之一逐漸向著小型化、寬頻帶、高效率、低成本和易集成方向發展。間隙波導[3]技術是一種新型的波導結構,可以由理想電導體表面、理想磁導體表面、軟硬表面和電磁帶隙結構[4-6]等各種特定邊界條件構成。在實際使用中,電磁帶隙由金屬導體或介質構成周期排布的結構組成,用于限制某一頻帶內的電磁波傳輸,從而防止能量的泄露。由于間隙波導具有低傳輸損耗特性,近年來基于間隙波導饋電網絡的毫米波天線越來越多,與傳統形式的波導縫隙陣列天線[7-10]相比,間隙波導縫隙天線允許的制造公差更大[11]。文獻[12]介紹了一種采用多層印刷電路板(PCB)工藝制作的Ka 波段圓極化平面陣列天線,所研制的4×4 陣列測試結果顯示,在26.4～30.3 GHz 頻段內,軸比帶寬為14%,峰值增益為18.2 dBi。文獻[13]利用疊加的SIW 腔和寄生貼片改進了正常貼片天線,采用順序旋轉饋電網絡的天線陣列可實現25.4%的3 dB 軸比帶寬和20.32 dBi 的峰值增益。但是,隨著頻率升高以及尺寸增大,天線的介質損耗會越來越嚴重。文獻[14-16]通過在間隙波導縫隙天線上加載圓極化電磁偶極子天線實現陣列天線的圓極化和高增益,但是該方式在一定程度上增加了天線的剖面。文獻[17]提出一種2×2 Ka 波段間隙波段脊間隙波導寬帶圓極化縫隙天線陣列,在33.5～37.5 GHz 頻帶內,其軸比小于3 dB,駐波小于2?，F有天線都無法同時滿足毫米波車地通信天線所需高增益和輻射扇形波束的要求。

基于脊間隙波導,本文設計研制了一款工作在37～39 GHz 頻帶的2×16 單元平面圓極化縫隙陣列天線,天線通過環形縫隙單元直接輻射右旋圓極化波,采用脊間隙波導一分三十二路功分器網絡實現等幅同相饋電,通過合理設計單元間距與陣列間距,使天線滿足毫米波車地通信所需的扇形波束。天線為全金屬結構,工作性能穩定,避免了文獻[2]中螺旋陣列天線所需的介質套和手動調相,加工更加簡單,機械性能更強,實現了毫米波車地通信天線的小型化。

1 天線設計

根據實際工程需求,所設計的毫米波車載天線的主要技術要求包括:工作頻帶37～39 GHz,增益大于20 dBi,駐波比小于1.5,俯仰面波束寬度約為5°,方位面波束寬度約為30°。為了實現天線所需的扇形波束,同時避免陣列出現較大柵瓣,提出了2×16 單元陣列天線,并對陣列布局進行合理設計,如圖1 所示,其中子陣間距為9.4 mm,單元間距為5.7 mm。

圖1 天線陣列結構Fig.1 Structure of the antenna array

天線為全金屬結構,上層金屬板刻蝕環形縫隙,中層為空氣間隙,下層是由金屬脊、電磁帶隙和金屬地板構成的脊間隙波導饋電網絡,矩形-脊間隙波導轉換結構與脊間隙波導饋電網絡連接實現陣列的整體饋電。

1.1 天線單元原理

文獻[17]提出一種基于脊間隙的圓環形輻射單元,如圖2 所示,該單元采用一定長度的L 型金屬脊饋電,將端口的電磁波通過金屬脊和上層金屬板之間的空氣層傳播至圓環縫隙處,帶耦合枝節的圓環縫隙將電磁波以右旋圓極化形式輻射出去。但該單元的耦合枝節寬度為0.26 mm,不能滿足高速磁懸浮列車車載天線所需的機械強度,對加工精度也有更高的要求。在該輻射單元基礎上,對其整體結構進行優化改進,加寬耦合枝節的寬度為0.5 mm,使其在滿足毫米波車地通信天線單元輻射性能的基礎上,能夠滿足毫米波車載通信天線所需的頻帶和機械強度。

圖2 單元結構示意圖Fig.2 Structure of the unit

為了確定天線上金屬板的厚度t,分析了上金屬板對天線單元的影響,如圖3 所示,在一定范圍內,上金屬板的厚度越薄,天線單元的反射與軸比性能越好,綜合考量天線的輻射性能與機械強度,天線單元上金屬板的厚度t取0.5 mm。優化改進后α取值為4°,單元結構其他各項參數值如表1 所示。仿真得到天線單元方向圖如圖4 所示,在38 GHz 頻點增益為7.5 dBi。天線單元反射及軸比曲線如圖5 所示,帶內軸比小于2 dB,反射小于-18 dB。

圖3 參數t 對單元性能的影響Fig.3 Unit performance with the change of t

表1 天線單元參數值Tab.1 Values of the unit parameters mm

圖4 天線單元方向圖Fig.4 Radiation pattern of the unit

圖5 天線單元反射及軸比曲線Fig.5 Reflection and axial ratio of the unit

1.2 饋電網絡設計

為了實現三十二個環形縫隙單元等幅同相饋電,采用五級脊間隙波導T 型一分二結構級聯拓撲,形成一分三十二路功分器,金屬脊在拐角處進行切角處理,陣列天線整體饋電網絡如圖6 所示,每一級功分器T 型結構處開三角形槽且增加矩形調諧結構,用于每級功分器之間的阻抗匹配,如圖7 所示。脊間隙波導饋電網絡中,每條金屬脊兩側均鋪設不少于1 排的電磁帶隙結構單元,將波的傳播限制在脊與頂層金屬板之間的空氣間隙中,使波沿著脊傳播,在其他方向和位置,波的傳播被截止,采用的電磁帶隙單元結構和色散曲線如圖8 所示,天線工作頻帶在該電磁帶隙禁帶范圍內。經過仿真優化,饋電網絡整體反射如圖9 所示。

圖6 天線饋電網絡結構Fig.6 Topology of the feed network

圖7 T 型結構Fig.7 The structure of T-shape

圖8 電磁帶隙結構單元和色散曲線Fig.8 The structure of electromagnetic band gap unit and dispersion curves

圖9 饋電網絡反射Fig.9 The reflection of feed network

脊間隙波導饋電網絡與矩形-脊間隙波導轉換結構連接,如圖10 所示,通過階梯結構將矩形波導內部能量逐步耦合至脊間隙波導,實現標準矩形波導BJ320 對饋電網絡的高效饋電,經過仿真優化,轉換結構反射如圖11 所示,其關鍵參數值如表2 所示。

圖10 矩形-脊間隙波導轉換結構Fig.10 The transfer structure of rectangular-ridge gap waveguide

圖11 轉換結構反射Fig.11 The reflection of transfer structure

表2 矩形-脊間隙波導轉換結構參數值Tab.2 The parameters of the rectangular ridge-gap waveguide transfer structure mm

1.3 陣列整體性能

為了增加陣列整體機械強度同時不影響陣列的輻射性能,對陣列天線模型輻射縫隙周圍進行了局部加厚,如圖12 所示。陣列主極化方式與單元相同,整體仿真方向圖如圖13 所示,軸比及增益隨頻率的變化曲線如圖14 所示,反射曲線如圖15 所示。仿真結果表明,天線能夠輻射車載天線所需的扇形波束且軸向增益大于22 dBi,交叉極化電平小于5.6 dB,軸比小于2.2 dB,反射小于-17 dB。

圖12 陣列局部加厚Fig.12 Part of the antenna is thickened

圖13 不同頻率下的天線輻射方向圖Fig.13 Radiation pattern of the antenna at different frequencies

圖14 天線軸比及增益Fig.14 Axial ratio and gain of the antenna

圖15 天線反射Fig.15 Reflection of the antenna

2 實驗

天線加工實物如圖16 所示,整體尺寸為136 mm(長)×65 mm(寬)×5.35 mm(高),與文獻[1]中的反射面天線相比,大大減小了天線的體積。為驗證設計的準確性,在微波暗室中,對天線進行全面測試,如圖17 所示。圖18 為測試得到的天線駐波曲線,測試結果表明,天線在37～39 GHz 頻帶范圍內,駐波比小于1.42。天線在37,38 和39 GHz 測試的歸一化方向圖如圖19 所示,天線方向圖的仿真與測試結果主瓣一致性較好,但副瓣及遠副瓣沒有較好的吻合,主要是由天線的加工精度以及實驗誤差造成的。實驗結果表明該天線可以在軸向方向實現良好的扇形波束輻射。

圖16 天線加工實物圖Fig.16 Photograph of the fabricated antenna array

圖17 天線測試圖Fig.17 Photograph of the measurement of the antenna

圖18 天線測試駐波Fig.18 Measured VSWR of the antenna

圖19 天線在不同頻點的歸一化方向圖Fig.19 Normalized radiation pattern of the antenna at different frequencies

表3 總結了天線在不同頻點的測試性能。結果表明,所設計的陣列天線在37～39 GHz 的頻帶范圍內實現了微波的軸向輻射,增益大于21 dBi,軸比小于3 dB,俯仰面波束寬度不大于5°,方位面約等于35°。因此所設計的陣列天線可以滿足毫米波車地通信天線的研制要求。

表3 天線各項測試性能Tab.3 Measured performances of the antenna

3 結論

本文提出并研究了一種應用于毫米波車地通信的小型化間隙波導縫隙陣列天線。天線為全金屬結構,采用標準矩形波導中心饋電,脊間隙波導一分三十二路功分并饋的饋電形式,避免了遠離中心頻點波束指向偏轉的問題。天線在37～39 GHz 頻帶內增益大于21 dBi,軸比小于3 dB,駐波小于1.5,波束寬度約為35°×4.5°,具有較高增益、低駐波、良好軸比、輻射扇形波束、寬頻帶等優點。與反射面天線相比,實現了小型化,與螺旋陣列天線相比,具有穩定的機械性能與輻射性能,通過實驗證明了該天線用于毫米波車地通信的可行性。