摘要：本文提出了一種帶寬增強的高增益全金屬腔背濾波縫隙天線陣列。通過將一個輻射縫隙替換為2x2輻射縫隙，在不增大天線尺寸的情況下獲得了增強的增益。此外，通過結(jié)合兩種腔模式，即TE101和TE301，來獲取增強的帶寬。金屬脊和金屬柱被用于使這兩種模式彼此靠近。由于在適當(dāng)?shù)臄_動下以及2x2輻射縫隙的正確放置下，這兩種特定腔模式具有相似的輻射場，從而在增強的帶寬內(nèi)獲得了更高的增益。

 

此外，這兩個腔模的高品質(zhì)因數(shù)在實現(xiàn)的增益和效率方面天生就具備良好的濾波性能。最終的測量結(jié)果顯示，所提出的縫隙天線陣列在小口徑尺寸為0.84h2的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)6.2%的帶寬、97%的總效率、10.4~11 dBi的穩(wěn)定實現(xiàn)增益。模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之間的良好吻合，充分驗證了所提出的設(shè)計概念。

 

1.引言

腔背縫隙天線(CBSAs)(G.Q.Luo,2008;L.Ge,2017;R.Bayderkhani,2015;X.Wu2017;J.-Y.Lin,2018;Y.M.Wu,2018)因其高效和高增益的出色性能而被廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代無線系統(tǒng)中。其中，全金屬腔背縫隙天線(X.Wu,2017;J.-Y.Lin,2018;Y.-M.Wu,2018，由于不存在介電損耗，能夠進一步提升增益和效率，同時具備良好的大功率承載能力，適用于長距離和高功率通信場景。

單諧振天線通常存在帶寬狹窄的問題，這限制了它們在寬帶無線系統(tǒng)中的應(yīng)用。多結(jié)構(gòu)是-種有效的提高帶寬的方法，已被廣泛用于設(shè)計帶寬增強的SIW縫隙天線(G.Q.Lu0,2012;S.Mukherjee,2014;s.Yun,2012;W.Han,2015;Y.Shi,2017;P.K.Li,2018)和金屬腔體縫隙天線(Y.-M.Wu,2019;R.-S.Chen,2020;R.-S.Chen,2021)。在(G.Q.Luo,2012;S.Mukherjee,2014)中，通過引入一個縫隙，擾動TE110和TE210 SIW模式，從而產(chǎn)生兩種輻射混合型模式，以拓寬工作帶寬。在(Y.Shi,2017)中，通過引入“via短接”技術(shù)，將低階模式向高階模式轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)了兩個多共振寬帶SIW縫隙天線。在我們的先前研究中(Y.M.Wu,2019;R.-S.Chen,2020;R.-S.Chen,2021)，利用腔模和共振虹彩模，報道了雙共振和三重共振的全金屬縫隙天線。這些模式可以被重新配置。通過調(diào)整腔體的尺寸和槽的尺寸，而不引入其他擾動元素。

 

濾波天線有效地將天線和濾波器集成到一個模塊中，從而實現(xiàn)了整體尺寸的微型化。一般而言，濾波天線指的是天線增益的高選擇性。輻射零點是一種廣泛使用的手段，用于實現(xiàn)天線的濾波性能(P.K.李，2018;X.-Y.張，2015;X.-Y.張，2017;P.-F.胡，2019)。此外，通過引入多階濾波器(F.-C.陳，2017;R.H.馬哈茂德，2017)也可以獲得濾波性能，其中多個腔體諧振器被級聯(lián)以產(chǎn)生帶通濾波性能。事實上，通過使用高Q因子諧振器，可以設(shè)計出更簡單的濾波天線(Y.-M.Wu,2019;R.-S.Chen,2020;R.-S.Chen,2021)，因為高Q因子代表著高選擇性，可用于設(shè)計具有濾波性能的天線。

 

本文提出了一種高增益濾波縫隙天線陣列，通過利用兩種矩形波導(dǎo)腔式來增強帶寬。由于空腔模式(如TE101模式)的純定向電場分布，頂壁上的多個輻射可以直接饋電形成天線陣列。因此，在TE101模式下的2x2縫隙陣列的操作，以獲得106dBi的高方向性，小的物理孔徑尺寸為0.75u2。然后，設(shè)計了在TE101和TE301模式下帶寬增強的槽形天線陣列。通過適當(dāng)調(diào)整金屬脊和金屬柱的參數(shù)，使兩種式更加接近，從而拓寬帶寬。在本文的設(shè)計中，利用商業(yè)電磁仿真軟件CS TStudio Suite 2020進行了數(shù)值模擬。最后，通過測試天線原型來驗證設(shè)計概念。

 

2.高增益槽陣列

圖1(a)展示了TE101腔模工作下的2x2縫隙天線陣列配置。為了比較，這里還展示了具有1x1和1x2輻射縫隙的天線，其頂視圖如圖1(b)所示。

 

圖2顯示了三種天線的模擬定向。這三種天線的方向性分別為6.8dBi，9.2dBi，10.6 dBi?？梢钥闯?，在3.5GHz時，2x2槽天線陣列的方向性比1x1天線高3.8dB。由于使用2x2輻射槽有效地利用了輻射孔徑，而孔徑尺寸保持不變，從而提高了方向性。該天線的物理孔徑大小僅為0.75u2。

 

 

圖1(a)提出的寬帶槽天線配置，具有2x2輻射槽單元;(b)三種類型輻射槽的視圖。

 

 

圖2 不同輻射槽數(shù)量的模擬方向性。

 

3.雙模寬帶操作

3.1 配置

圖1中 proposed slot antenna 具備高達10.6 dBi的高增益，但由于TE101模式的單模運行以及TE101模式的高未加載Q因子，其帶寬較為狹窄(不到1%)。為了提升帶寬，本文提出了一種雙?？p隙天線，其配置如圖3所示。通過使用四個金屬脊和兩根金屬柱，來控制腔模的共振頻率。這些元件被放置在特定的位置上，以優(yōu)化性能。

 

 

 

 

(a) (b)

 

 

 

(c) (d)

 

圖3.提出的寬帶縫隙天線配置，包含2x2輻射縫隙單元。(a)3D視圖;(b)yz平面和xz平面的側(cè)視圖;(c)輻射縫隙視圖;(d)饋入縫隙視圖。

 

如前所述，TE101和TE301模式被特意用于設(shè)計這種雙模式天線。由于它們之間的頻率差異較大，應(yīng)引入擾動方法以使它們彼此靠近。一種方法是通過將TE301模式的頻率降低來將其轉(zhuǎn)換為TE101模式，另一種方法是通過將TE101模式的頻率升高來將其轉(zhuǎn)換為TE301模式。

 

在引入擾動元件之前，我們先來看看這兩種模式的場強度分布，如圖4(a)所示在點A處，TE301具有最強的場強度，而TE101則具有適中的場強度。因此，在此點處施加一系列電感負載可以使TE301更接近TE101，因為這種負載對TE301的影更大。在點B處，TE301具有零場強度，而TE101具有適中的場強度。因此在此點處施加并聯(lián)電感負載可以使TE101更接近TE301，因為這種負載能夠提升TE101模式的頻率而不影響TE301模式。為此，如圖4所示，分別在點A和點B處放置四條帶有短路端頭的金屬脊和兩根帶有兩個短路端頭的金屬柱，而實物視圖則顯示在圖3中。

 

這兩種擾動方法下的腔模等效電路模型分別如圖4(b)和圖4(c)所示。Ls和Cs表示TE101/TE301模式的LC電路模型，Lsi和Csi特別指代TE101模式的LC電路模型，LR表示串聯(lián)電感負載在TE101/TE301模式上，而LP表示并聯(lián)電感負載在TE101模式。

 

 

 

 

圖4(a)擾動元素的位置;由(b)金屬脊和(c)金屬柱擾動的腔模等效電路模型。

 

 

圖5 金屬脊和金屬柱對TE101和TE301模式諧振頻率的影響:(a)金屬脊;(b)金屬柱。

 

在金屬脊和金屬柱的影響下，模擬的|Sul在圖5中顯示。隨著L4從0增加到13毫米這兩個模式逐漸接近，因為TE301具有更大的頻率偏移。然而，當(dāng)L4進一步增加時這兩個模式的頻率偏移變得相似，它們無法被進一步拉近。圖5(b)表明，金屬柱可以用來將TE101模式向更高頻率偏移，而對TE301模式的影響較小，且金屬柱的半徑越大，產(chǎn)生的頻率偏移越大。在L4=13毫米和r=3毫米的情況下，這兩種模式足夠接近，從而實現(xiàn)了增強的運作帶寬。

 

圖6和圖7分別展示了TE101和TE301在沒有金屬脊和金屬柱干擾情況下的電場分布情況。圖6表明，在提出的天線中，TE101和TE301同時被激發(fā)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄_動后，它們的共振頻率接近，且電場分布也相似，如圖7所示。圖8顯示了提出的天線的模擬|S11值和方向性。在3.7 GHz至4.3 GHz的頻率范圍內(nèi)，方向性被測得高于10分貝。 因此，這種雙模式縫隙天線仍能在工作頻段內(nèi)保持較高的增益。

 

 

圖6 無金屬脊和金屬柱擾動的作101模式和TE301模式的電場分布:(a)TE101模式;(b)TE301模式。

 

 

圖7 金屬脊和金屬柱擾動下TE101和TE301模式的電場分布:(a)TE101模式;(b)TE301模式。

 

 

圖8 模擬的|S11|和所提出的槽天線在雙工操作下的方向性。

 

4.實驗結(jié)果

在完成設(shè)計后，圖3中所示的擬議天線被制作并進行了測試。圖9提供了已制作天線的照片以及待測天線的照片。金屬螺絲被用作金屬支柱，以對TE101模式進行擾動。測量值|S11|、實現(xiàn)的增益以及總效率(包括阻抗失配的輻射效率)在圖10中與相應(yīng)的模擬結(jié)果進行了比較。可以看到，實測的帶寬中|Su<10 dB的范圍約為6.2%(從359 GHz到3.83 GHz)，而模擬帶寬則覆蓋了從3.64到3.84 GHz的范圍，其模擬帶寬為5.3%。隨著金屬螺絲上的螺紋減少金屬螺絲的有效半徑，如圖5(b)所示，TE101的諧振頻率也會降低，如圖10(a)所示。實測的帶內(nèi)增益在10.4分貝至11分貝之間變化，而模擬增益在10.5分貝至11.2分貝之間變化，兩者都顯示出穩(wěn)定的實現(xiàn)增益。實測的總效率高于91%，峰值達到97%，而模擬的總效率高于96%，峰值達到99%。

 

圖10表明，所提出的縫隙天線陣列在實現(xiàn)的增益和總效率方面具備良好的濾波性能這歸因于其兩個腔模(即先前討論的TE101和TE301)的高Q因子。

 

 

圖9(a)擬議天線的照片;(b)正在測試的天線。

 

圖10 測量和模擬結(jié)果:(a)|S1l和實現(xiàn)增益;(b)總效率。

 

圖11展示了在3.64和3.83 GHz處的輻射模式。在xz平面和yz平面上的實測共極化(Co-pol)與模擬結(jié)果很好地吻合。由于所提出的天線是基于沿y軸分布的電場分布的兩個模式設(shè)計的，因此可以實現(xiàn)較低的交叉極化(X-pol)。實測的X-pol優(yōu)于-40分貝，略高于模擬值-50分貝。

 

與其他槽天線的比較見表1。可以看出，所提出的天線在 2的物理孔徑尺寸下具有最高的增益。該天線(Y.-M.Wu，2019)具有更寬的帶寬和濾波性能，但由于其單一輻射槽，增益較低。盡管之前的研究(R.-S.Chen，2020)具有更寬的帶寬，但它沒有過濾響應(yīng)。天線陣列(F.-C.Chen，2017;R.H.Mahmud，2017)可以實現(xiàn)更高的增益和濾波性能，然而，由于使用了多層腔，它們的天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

 

 

圖11:測量和模擬的輻射模式:(a)xz平面上的3.64GHz;(b)yz平面上的3.64GHz;(c)xz平面上的3.83GHz;(d)yz平面上的3.83GHZ。

 

表1 與其他槽天線的比較

 

 

5.結(jié)論

本文提出了一種增益高、帶寬增強的腔背濾波縫隙天線陣列。頂部壁面上的多個輻射縫隙可以由腔模式的電場直接饋電，從而可以形成縫隙陣列，有效利用輻射孔徑以獲得高方向性。隨后，首次提出了一種在TE101模式作用下工作的2x2縫隙天線陣列，以分析增強的增益。此外，還設(shè)計了一種在TE101和TE301模式作用下工作的雙模式天線，以拓寬工作帶寬。對所制造的天線的最終測量顯示其帶寬為6.2%，穩(wěn)定的實現(xiàn)增益為10.4~11dBi，總效率高達97%，交叉極化損耗低至-40dB。此外，所有實測和模擬的實現(xiàn)增益及總效率都顯示出良好的濾波性能。

 

6.致謝

這項工作部分得到了廣東省自然科學(xué)基金的支持，項目編號為2021A1515110629和2021A1515110432，另一部分則來自廣東省短程無線探測與通信重點實驗室的開放資助金。