加载微带贴片的圆极化波导缝隙天线的设计

本文提出了一种波导缝隙天线实现圆极化的新方法。波导上面的宽边上加载一层印刷有微带贴片的介质基片。在波导宽边开并联纵缝，从波导缝隙耦合电磁波至其上方的微带贴片，实现圆极化辐射。对天线单元进行了参数仿真分析，在工作频率为10 GHz处轴比约为0.82 dB，天线的相对轴比带宽(AR ≤ 3 dB)约为3.2%。并针对其辐射效率较低的问题进一步提出了加载二元微带的改进方案，改进后的天线单元辐射效率明显提高，相对轴比带宽(AR ≤ 3 dB)约为2.4%。

圆极化天线具有很多独特的优点，如可接收任意线极化来波，辐射波可由任意线极化天线收到；入射到对称目标旋向逆转等优点。波导缝隙天线具有高增益、高效率等优点，已广泛应用于通信、雷达等领域。因此，圆极化波导缝隙天线的研究备受关注。

早在1957 年，A. J. Simmon 就提出在波导宽壁上开一对交叉缝隙来实现圆极化辐射[1]。在波导宽边利用两组分别辐射水平极化与垂直极化的缝隙也能获得圆极化[2]。上述两种圆极化方案概念清楚，实现简单，但占用面积大，不适合阵列的设计。圆极化阵列的实现可以利用两个相互垂直的缝隙设计圆极化辐射单元[3] [4]。以两个缝隙与一对U 形槽为单元也能够设计圆极化波导缝隙阵列[5]。利用寄生偶极子的方法[6]或附加开有V 形辐射缝隙的腔[7]也都能够实现圆极化波导缝隙阵列。

但上述阵列中对各单元的幅度都较难控制。文献[8]中提出在单个缝隙上加极化波导实现圆极化的设计，既方便组成阵列，又容易控制单元的激励；但极化波导一般较高，使结构较为笨重。

本文设计了一种新型波导缝隙圆极化天线。将波导上面宽边上放置一层微带基片。波导上开并联纵缝，基片上方附加微带贴片，由缝隙从波导耦合电磁波至其上方的微带贴片实现圆极化辐射。这种新结构辐射单元结合了波导缝隙天线高效率和微带贴片设计灵活、易加工等优点，具有良好应用前景。

2. 天线结构与原理 基本结构：加载微带贴片的圆极化波导缝隙天线的单元结构如图1 所示，单元结构主要由两部分组成，下方为开有纵缝的波导，上方为方形或矩形贴片天线。上方的微带天线由缝隙耦合馈电。下方波导终端短路，缝隙距离短路端的距离为λg/4，λg 是TE10 模的波导波长。上方微带天线中的贴片是通过在矩形贴片的长边、宽边上对称的增加半径分别为r1、r2 的两个半圆构成，并且贴片相对于x 轴旋转了一定的角度α 。

基本原理：下方宽边开纵缝的波导作为馈电波导，缝隙切断波导宽边表面电流将能量耦合出来，但耦合出来的能量并未直接向空间中辐射，而是馈到了附加在其上方的微带天线上，最终通过上方的微带天线向空间中辐射。因此，天线的极化形式主要由上方的微带天线决定。下方波导缝隙耦合出的能量为线极化辐射形式，能量通过缝隙耦合到微带上以后，在微带贴片中激励起两种相互垂直的模式，且两种模式的幅度相等、相位相差90˚，这样就满足了圆极化辐射的条件。微带贴片采用准方形贴片加半圆形贴片的形式，一方面使两种基模的工作频率接近且具有一定的相位差，另一方面半圆形贴片的存在还具有可以使贴片尺寸小型化，较一般微带枝节有更好的带宽特性等优点。事实上，当上方的微带贴片的尺寸