波导阵列天线学习笔记4 一种用于毫米波通信的新型宽带双圆极化阵列天线

摘要：

在本文中，提出了一种新型的基于间隙波导毫米波双圆极化阵列天线。通过级联膜片极化器和十字转门OMT,简单的馈网被首次提出来实现双圆极化条件。通过膜片圆极化器可以在TE10和TE01模式之间实现90度的相位差，并且十字转门OMT被用于分别分离两个正交的模式为四个互相正交的子阵列。为了验证，一种8x8的线极化阵列被提出来实现一种双圆极化阵列天线，并且生产并实测了双圆极化阵列天线的样品。实测结果显示阻抗带宽（ $\left | S_{11} \right | < -14dB$ ），耦合系数（ $\left | S_{21} \right | < -13.5dB$ ），轴比带宽<3dB的重合带宽为92GHz-110GHz的18%，并且辐射效率高达82.64%的同时最大的实测增益为23.7dBic。所提出的双圆极化阵列天线对于毫米波通信系统将是一个很好的备选。

索引词：

双圆极化馈网，阵列天线，毫米波，宽带

简介：

毫米波频带已经在无限通信中引起了众多的关注和研究，由于其广泛可用的频谱和高速无限数据传输。对于毫米波无限通信，大气衰减和超长距离带来了高损耗，平面阵列天线对于系统高增益，低剖面，和易于集成性的性能提高是一种关键解决方案。

由于其减少多径衰减和极化失配的优势，圆极化阵列天线已经被广泛应用于无线系统中。与此同时，使用双圆极化阵列天线将提高通信系统的信道容量。图1给出了两种传统的实现双圆极化阵列天线方案。一种是在两组公司馈网上装载双圆极化辐射单元。在此由很多双圆极化辐射单元已经被研究了，例如微带贴片，磁电偶极子，超表面，双圆极化波导极化器，等等。尽管基于基片的天线单元有着大有前景的宽带宽，低损耗和低剖面，其介电损耗和辐射损耗在毫米波段仍是无法避免的难题。因此，在毫米波段由于其低于基片基本结构的传输损耗，空气填充波导结构，即双圆极化波导圆极化器将是大有前景的备选。然而，这个方法的主要缺点就是由于两组馈网的复杂置位而导致的冗余和复杂的馈网和许多双圆极化波导极化器带来的对于生产和加工的挑战。

另一种实现双圆极化阵列天线的方法是在双线极化阵列天线上装载双圆极化馈网。通过使用双圆极化馈网[13]，只用一个馈网就能传输双圆极化电磁波，这显著地降低了公司馈网的复杂性和生产难度。在[13]中，一种3-dB耦合器被引入来实现单个双圆极化馈网，但是在30GHz其相对带宽只有6.7%这受限于双线极化阵列天线。为了实现更宽的工作带宽，顺序旋转技术已经被引入来克服窄带宽，降低相邻辐射单元之间的互耦，并提高极化纯度[14][15]

在本文中，一种包含膜片极化器和十字转门OMT的宽带毫米波双圆极化馈网被首次提出。所提出的双圆极化馈网保证了双圆极化阵列的尺寸不再受到双圆极化极化器的数量限制，并且可以实现单个的双圆极化极化器来给大规模阵列馈电。所提出的双圆极化阵列可以用过简单交换不同的子阵列尺寸而不增加馈网的复杂性来提升性能。为了避免在实际装配过程中的空气间隙的影响，使用了电磁带隙结构。为了验证此设计，8x8的双圆极化阵列天线样品被制造和测量。实测的从92-110GHz的18%的带宽内的反射系数低于-14dB,耦合系数低于13.5dB,并且轴比低于3dB。在此此频带内实现了最大为23.7dBic的增益和高达82.64%的辐射效率。

结构和双圆极化馈网的工作原理

A.双圆极化馈网结构

图2给出了所提出设计的细节。双圆极化馈网通过顺序级联膜片极化器和十字转门OMT来实现。膜片圆极化器是一种有着两个矩形波导，一个方波导和一个位于方波导中心的四阶梯膜片的三端口器件。十字转门OMT由一个方波导，四个矩形波导和一位于方波导底部的双阶梯调谐柱。为了给双线极化阵列天线馈电，四个弯折的波导被引入来连接十字转门OMT的输出端口。

B.工作原理

为了实现双圆极化电磁波条件，需要有着90度相位差的两个正交的线极化波。在本设计中，两个正交的线极化波由TE10模和TE01模实现。并且90度相位差由双圆极化极化器实现。双圆极化馈网的工作原理将如下详细阐述。首先，膜片圆极化器被用于实现有着90度相移的两个正交模式,TE10和TE01。通过模式合成，膜片圆极化器的工作原理如图3（a）所示，并将如下阐述。当端口1被单独激励，它将等效于偶模激励和奇模激励的叠加。对于偶模激励，端口1和端口2将被以相同幅度和相位激励。在膜片两遍的电流分布是相对的，因此膜片不会干扰场分布并且TE10模式将在方波导中生成。在奇模激励的情况下，由于端口1，2之间的相反相位，在膜片上的电流分布将造成TE01模式。此外，膜片尺寸将决定TE10和TE01模式之间的相位差，此相位差取决于哪个端口被激励。

第二，为了分离两个正交的模式并且分别将两者馈入到垂直极化子阵列和水平极化子阵列中，使用了十字转门OMT。不同于传统的十字转门OMT的功能，OMT的相位特性将是双圆极化馈网的关键特点。十字转门OMT的工作原理如图3(b)所示并且将如下阐述。当TE10和TE01模式在端口3中被激励时，十字转门将分离TE01模式进入到端口4和端口6中，并且TE01模式进入到端口5和端口7.同时，他将在两个对面的波导端口之间产生180度的相位差。

最终，通过激励膜片极化器和十字转门OMT,一种双圆极化馈网可以实现。在图4中，给出了馈网的工作原理。可以看到，当端口1被激励时，LHCP将在方波导中产生。此后，十字转门OMT将分离TE10模式和TE01模式分离到两个相邻的端口处。通过对十字转门波导引的每个矩形波导引入两个90度的弯头波导，对面的输出端口可以保持相同的相位条件并在相邻的输出端口保持90度相位差。因此，LHCP阵列天线可以通过装载四个互相正交的LP子阵列来实现。LHCP和RHCP的馈网电场分布图如图5所示。

双圆极化阵列天线的设计和分析

A.双圆极化馈网设计

图6给出了所提出的双圆极化馈网的全部模型。此馈网包含三个金属模块，包含两个用于膜片圆极化器的模块和一个用于装载在8x8双线极化阵列天线的背部的十字转门OMT模块。为了最小化制造和生产误差，在金属块中间的接触面中引入了EBG结构。考虑到实测，设计了两个90度的E面弯头和WR-10波导转换器。图7(a)显示了双圆极化馈网的性能，在90-110GHz上反射系数低于-20dB,并且耦合系数低于-15dB。端口4到端口7的传输系数都接近于-6dB.从端口4到端口7的相差如图7(b)所示，可以看到在91.6GHz到110GHz上，相邻波导之间的相差保持在90度（相位误差在+-5度）。

B.双线极化阵列设计

8x8的双线极化阵列的整体结构如图8(a)所示.此8x8的双线极化阵列包含三个金属层，辐射层，腔体层和馈电层。为了实现两个正交的线极化，此8x8的双线极化阵列已经被分为四个4x4的线极化子阵列，其在xoy面上彼此垂直放置。因此，此8x8的馈电层设计可以简化为4x4的子阵列。此4x4的馈电层包含四个2x2的子阵列单元，两个分离的功分和一个矩形波导到脊波导过渡。

2x2的子阵列结构如图8(b)所示。馈电层基于脊间隙波导并且能量能通过耦合槽耦合到腔体层。腔体层又探针分为四个区域，可以避免能量在相邻腔体之间的泄露并且引导相同幅度的能量传导到辐射层。

实测和讨论

为了实测，整个阵列天线被分为五个铝（6061系列）模块，一种带有90度弯头波导和WR-10波导转换器的双圆极化馈网（由两个模块构成），馈电层，腔体层，和辐射层。所有的模块都由传统的CNC技术制造并且由5个销钉装配。天线的总体尺寸为48x36x47立方毫米（口径尺寸为19.2x19.2平方毫米）

S参数由带有两个3643P的W波段的延伸器的Ceyear3672D矢网测量。阵列的口径指向自由空间。所有仿真结果由HFSS给出。

整个双圆极化阵列天线的仿真和实测的反射系数和耦合系数如图9所示。实测的 $\left| S_{11} \right|$ 和 $\left| S_{21} \right|$ 分别低于-14dB和-13.5dB。实测结果的谐振点相较于仿真结果的有略微偏移，但实测结果显示了良好的阻抗匹配和隔离度。

仿真和实测的增益性能和轴比性能分别如图10(a)和图10(b)所示。因为此周期性馈网结构，LHCP和RHCP之间的仿真结果具有很好的一致性。在图10(a)中，实测的LHCP和RHCP的最大增益为23.7dBic并且在工作频带内显示了相较于仿真结果低于2dB的变化。辐射效率在表面粗糙度为0.4微米的仿真条件下高达82.64%。然而，由于顺序馈网的特性，口径效率将低于50%，并且所提出的阵列天线的最大口径效率为46.4%。在实测的AR方面，可以实现18%的LHCP轴比带宽和RHCP轴比带宽。

图11和图12分别显示了整个双圆极化阵列天线在90,100,110GHz处的归一化LHCP和RHCP辐射方向图。实测的辐射方向图与仿真的在主瓣和副瓣区域吻合地很好。并且在所有频点所列出来的副瓣电平都低于-12.5dB。

所报道的带有不同馈网的双圆极化阵列天线的性能被总结在表I。相较于基于基片的双圆极化阵列天线，我们的设计的辐射效率更高。此外，相较于其他的空气填充结构，本设计实现了最高的82.64%的辐射效率。与并联馈网和全公司馈网相比，顺序旋转馈网技术啊可以实现更宽的阻抗带宽和3dB轴比带宽，其高达18%。通过使用一个双圆极化器和一个十字转门OMT,所提出的设计降低了生产难度和馈网的复杂性。此外，此双圆极化阵列天线的尺寸不受双圆极化极化器的限制并且能够很容易地通过交换子阵列的比例来扩大。

结论

在本文中提出了一种对于双圆极化阵列天线的新的设计方法。通过级联双圆极化极化器和十字转门OMT,设计了带有高性能和简单结构特点的双圆极化馈网。降低了馈网的生产困难度和结构复杂性。此外，双圆极化阵列的规模不受双圆极化极化器的数量限制并且能够通过简单地交换不同子阵列尺寸且不增加馈网的复杂性来提高。为了验证此设计，引入了一种8x8的双线极化阵列天线并且一个双圆极化样品被生产和实测了，并且实测结果显示，从92到110GHz上实现了AR<3dB，S11<14dB的18%的相对带宽。与此同时，LHCP和RHCP的最大增益都为23.7dBic同时辐射效率高达82.64%。有着宽工作带宽，简单结构和高纯度圆极化的特点，所提出的双圆极化馈电双圆极化阵列天线对于毫米波无线通信系统时一个优秀的备选。