第35卷第1期2021年2月空军预警学院学报
Journal of Air Force Early Warning Academy
V ol.35No.1Feb.2021
收稿日期：2021-01-28
基金项目：重庆市教委科学技术研究项目基金(KJQN201900622)作者简介：王
兵(1981-)，男，工程师，博士，主要从事毫米波技术与天线设计研究． 王
兵，王志愿，何彦琦，赵雪志
（重庆邮电大学，重庆400065）
摘要：为满足毫米波无线通信系统的需求，研制了一种宽带毫米波电磁偶极子天线．该天线采用基片集成
波导缝隙耦合馈电，抑制了表面波辐射，降低了传输损耗．采用电磁仿真软件HFSS 进行建模仿真，分析了辐射贴片尺寸、馈电缝隙宽度和金属通孔半径对天线反射系数和辐射特性的影响，仿真给出了天线在28GHz 和32GHz 的E 面和H 面主极化和交叉极化方向图特性．仿真结果表明，天线的-10dB 阻抗带宽为25.0~33.4GHz ，且工作频带内增益平稳，方向图稳定，E 面和H 面辐射方向图具有低交叉极化特性．该天线的宽带和易集成特性使其在毫米波无线通信系统中具有很好的应用前景． 关键词：基片集成波导；毫米波；宽带天线；电磁偶极子中图分类号：TN821
文献标识码：A
文章编号：2095-5839(2021)01-0013-03
随着通信技术的飞速发展，微波低频段的频谱干扰日趋严重，已经不能满足人类的通信需求，因此人们越来越关注频谱资源丰富的毫米波频段．毫米波不仅频带宽，而且具有传输速度快、通信安全性高、传输质量好等优点，极大地弥补了微波低频传输的缺点，因此，毫米波技术已成为通信科研工作者的研究热点
[1-3]
．宽带
天线作为毫米波技术的重要组成部分，其性能的优劣对射频系统的通信质量有着重要的影响．通信系统常采用的微带天线具有结构简单、易于集成等优点，但是微带天线传输损耗大、频带窄、传输效率低，因此限制了其在毫米波通信系统中的应用；而传输损耗小的金属波导缝隙天线由于体积大、不易集成，也不适用于毫米波通信
[4-6]
．因此，研究一种适合于毫米波通信的宽
带天线一直是科研工作者的重要研究目标．
电磁偶极子天线由于具有宽频带、交叉极化低、增益稳定、后向辐射小等优点，使其在毫米波通信系统中的应用越来越受关注
[7-8]
，不仅
如此，电磁偶极子天线的馈电方式灵活，可采用多种馈电方式，使天线与外部电路易于集成．基片集成波导(SIW)通过在低损耗、低剖面的介质基板上打若干排金属化通孔来实现电磁波的传输，是近几
年工程应用研究较多的一种导波结构．SIW 与传统的金属波导相比，具有易集成、易加工、体积小、重量轻等优点[9]
．本文基于电磁偶极子天线的基本原理，结合SIW 易集成的特
性，设计了一种毫米波频段的电磁偶极子天线．天线采用SIW 馈电，具有宽频带、高增益、尺寸小、易于制造等特点，满足毫米波无线通信系统的需求．
1天线结构设计
电磁偶极子天线将磁偶极子和电偶极子进
行组合，实现稳定的辐射．由于磁偶极子的H 面方向图为“8”字形状，E 面方向图为“O ”字形状，而电偶极子的H 面方向图为“O ”字形状，E 面方向图为“8”字形状，因此可以将磁偶极子和电偶极子结合在一起，使得它们的方向图相互补偿．由于磁偶极子和电偶极子的磁场和电场互换了位置，因此将它们结合在一起后，前向辐射会得到加强，后向辐射相互抵消，从而使得电磁偶极子天线能产生更好的前向辐射增益，同时在工作频段内增益也更稳定、交叉极化更低．基于以上电磁偶极子天线的原理，本文提出的电磁偶极子天线三维模型、侧向和结构示意图如图1所示．该天线采用介电常数为2.2，损耗正切为0.001的Rogers 5880介质基片，下层介质基片的厚度为0.762mm，上层介质基片的厚度为1m
m ．下层介质基片和通孔构成SIW 结构，在下层介质基片的上表面金属贴片上蚀刻矩形缝隙．上层介质基片位于下层介质基片上，上层介质基片的上表面是蚀刻的阶梯状的H 型金属贴片；阶梯状的H 型金属贴片与矩形缝隙的几何中心重合，且两者对
DOI:10.3969/j.issn.2095-5839.2021.01.004
空军预警学院学报
2021年
动态秤
14称分布在SIW 中心线的两侧．辐射贴片由金属通孔和矩形缝隙进行激励，金属贴片等效为电偶极子，矩形缝隙等效为磁偶极子．辐射贴片采用
蚀刻阶梯状的H 缝隙可以优化电流的路径，改善天线的谐振和匹配特性．利用三维电磁仿真软件HFSS 计算得到天线的结构参数如表1所示．
辐射天线
电力滤波
下层介质
上层介质
矩形缝隙基片集成波导
馈电
端口
(a)
天线的三维模型
下层介质
上层介质
(b)天线侧向ｗ
ｇｌ
ｄ
ｋ
ｃ
ｂｒ
ｐ
ｓ
ａｆ
ｎｎ
ｔ２ｖ(c)天线的结构
图1天线的三维模型、侧向和结构示意图
表1
天线的结构参数
参数d s p r v 尺寸/mm
0.523.000.800.560.40
参数a b c g n 尺寸/mm
1.00.50.8
2.80.2
参数w l f k t 尺寸/mm
4.04.52.63.60.1
2仿真结果和分析
采用电磁仿真软件HFSS 进行建模仿真．
图2给出了矩形缝隙宽度c 和连接天线辐射贴片的金属通孔直径d 对S 参数的影响．从图2(a)可以看出，随着c 的增大，天线的S 11降低，同时天线的-10dB 带宽也减小，当c =0.6mm 时天线的带宽最大，但是在28~33GHz 的频带范围内，天线的S 11参数却接近-10dB ，天线的反射增加．
当c =0.8mm 时，天线在27~33GHz 的S 11都降到了-15dB 左右，天线的反射减小，与此同时，天线的带宽有所降低．从图2(b)可以看出，当金属通孔直径为0.50mm 时，天线在28~32GHz 的频段内，天线的S 11大于-15dB ；当金属通孔的直径增大到0.54mm 时，天线在28~32GHz 的频段内，天线的
S 11都降到了-15dB 以下．从图2还可以看出，当金属通孔直径变化时，天线的-10dB 带宽变化很小．因此适当地增加通孔直径，可以在保持天
线带宽变化很小的情况下降低天线的反射．
Ｓ１１
／ ｄＢ０
-１０-１５-２０-５
-２５
２４
２６
２８３０频率 ／ ＧＨｚ
３２
３４
ｃ=０．６ｍｍ
ｃ=０．
７ｍｍｃ=０．８ｍｍ
(a)
矩形缝隙宽度c 变化
Ｓ１１
／ ｄＢ----频率 ／ ＧＨｚ
(b)通孔直径d 变化
图2矩形缝隙宽度c 和通孔直径d 对S 参数的影响
图3给出了辐射贴片长度l 和宽度w 对天线S 参数的影响．从图3(a)可以看出，随着辐射贴片长度l 从4.5mm 增加到4.7mm ，天线的S 11在低频段和高频段都有所降低，尤其是在高频段降低明显．但随着辐射贴片长度变化，天线的-10dB 带宽几乎保持不变．从图3(b)可以看出，随着辐射贴片宽度w 的变化，天线在低频段的S 参数变化明显，天线的反射随着w 的增加而增加；当w =4.0mm 时，天线在27~33GHz 的频带范围内S 11保持在-15dB 以下；
当w 增加到4.2mm 时，天线的反射也迅速增加，最大处接近-10dB ；同时，随着w 的增加，天线的-10dB 带宽有所增加．
-３０
Ｓ１１
／ ｄＢ０-１０-１５-２０-５-２５２４
２６
２８３０频率 ／ ＧＨｚ
３２
３４
ｌ=４．５ｍｍ
ｌ=４．６ｍｍｌ=４．７ｍｍ
(a)辐射贴片长度l 变化
Ｓ１１
遥控器学习 ／ ｄＢ０-１０-１５-２０-５
-２５
２４
２６
２８３０频率 ／ ＧＨｚ
３２３４
ｗ=４．ｍｍ
ｗ=４．ｍｍｗ=４．ｍｍ(b)辐射贴片宽度w 变化
图3
微孔板孵育器辐射贴片长度l 和宽度w 对天线S 参数的影响
天线的电压驻波比仿真结果如图4所示．从图4可看出，在天线工作频段25.0~33.4GHz 内，天线的驻波比小于2；在天线工作的高频段30.0~
第1期王兵，等：一种毫米波宽带电磁偶极子天线研究
15
32.5GHz ，天线的驻波比在1.5以下．
１驻波比
７
５４３６２２４２６２８３０频率 ／ ＧＨｚ
３２３４
图4电压驻波比仿真结果
图5是天线在工作频带内的增益曲线．从图5可看出，天线在25.0~33.4GHz 的频率范围内增益均大于6dBi ，最大增益达到了8dBi ，且在工作频带范围内天线的增益保持稳定．
增益 ／ ｄＢｉ
８４
６２４
２６
２８３０
频率 ／ ＧＨｚ
３２３４
１０图5天线在工作频带内的增益曲线
图6为天线在28GHz 和32GHz 的E 面和H 面方向图．由图6可以看出，在整个工作频带范围内，天线的E 面和H 面的方向图接近．由于结构的对称性，天线的交叉极化分量非常小，在E 面和H 面的交叉极化都小于-25dB ．
图7给出了天线在28GHz 和32GHz 时阶梯
Ｅ面
Ｈ面
Ｅ面
Ｈ面
(a)在28GHz 的E 面和H 面方向图(b)在32GHz 的E 面和H 面方向图
图6天线在28GHz 和32GHz 的E 面和H 面辐射方向图
状H 辐射贴片上的表面电流分布．从图7可以看出，在
低频段和
高频段，天线电流都主要集中在阶梯状H 辐射贴片的中心部分和上下两侧．该结构使辐射贴片的电流路径得到优化，从而改善天线的谐振特性，同时天线具有稳定的辐射．
(a)28GHz
(b)
32GHz
图7
天线在28GHz 和32GHz 时阶梯状H 辐射
贴片上的表面电流分布
3结论
1)本文采用SIW 对电磁偶极子天线进行馈
电，使得天线易于集成．同时由于SIW 的封闭特性，使得表面波辐射得到了有效的抑制，提高了天线的辐射效率．
2)采用缝隙耦合结构使得更多的能量耦合给辐射贴片，辐射贴片采用蚀刻的阶梯状H 缝隙优化了电流路径，改善了天线的谐振和匹配特性．
3)通过电磁仿真软件HFSS 对天线进行仿真优化，经过计算，天线在工作频段25.0~33.4GHz 范围内，增益大于6dBi ，交叉极化比小于-25dB ，具有良好的方向性．
4)该天线结构简单、增益稳定、工作频带宽、低交叉极化、易于加工，适合应用于毫米波无线
通信系统中．
参考文献：
[1]
四合扣HAO Zhangcheng,YUAN Quan,LI Bowen,et al.Wideband W -band substrate-integrated waveguide magnetoelectric (ME)dipole array antenna[J].IEEE Transactions on An-tennas and Propagation,2018,66(6):3195-3200.[2]
钟顺时.天线理论与技术[M].北京：电子工业出版社,2015:1-76.
[3]朱战发.宽带偶极子天线设计[D].西安：西安电子科技大学,2015:1-18.
[4]
ASADDI M,SEBAK A.High-gain low-profile circularly polarized slotted SIW cavity antenna for MMW applica-tions[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2017,16:752-755.
(下转第19页)
第1期
晏冲，等：运用权值微扰技术的雷达抗多窄带干扰方法
19
nal Processing,2016,122:87-92.
[6]
BASIKOLO T,ARAI H.APRD-MUSIC algorithm DOA es-timation for reactance based uniform circular array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(10):4415-4422.[7]
YI Shanchao,WU Ying,WANG Yunlong.Projection-based robust adaptive beamforming with quadratic constraint[J].Signal Processing,2016,122:65-74.[8]
ZATMAN M.Production of adaptive array troughs by dis-persion synthesis[J].Electronics Letters,1995,31(25):2141-2142.
[9]
武思军，张锦中，张曙.阵列波束的零陷加宽算法研究[J].
哈尔滨工程大学学报,2004,25(5):658-661.
[10]虞舟凯，杨莘元.零陷展宽算法的性能研究[J].应用科技,
2006,33(3):1-3.
[11]曾祥能，张永顺，金虎兵.基于子阵阵元位置微扰的快速
零陷形成技术[J].上海航天,2010(3):14-17.
[12]陈俊杰，曾祥能.基于特征值分解的快速零陷形成技术
[J].雷达科学与技术,2009,7(3):227-230.
[13]邹翔，朱然刚，史英春，等.一种基于二次约束的零陷加宽
算法[J].电路与系统学报,2012,17(5):134-138.
Anti-multi-narrowband interference method of radar using
weighted perturbation technique
YAN Chong,QIU Qianxin
(No.95668Unit,the PLA,Kunming 650299,China)
Abstract ：In adaptive beamforming,the mismatch of the steering vector will seriously affect the beam pattern and interference suppression effect.In radar anti-multi-narrowband jamming,the steering vector mismatch caused by frequency offset will skew the interference null steering of the adaptive beamforming,thus affecting the an-ti-jamming effect.Based on the weighted perturbation technique,this paper proposes a wide null steering to be formed at the null offset,so that the offset of the null contains the direction of the interference wave to prevent the radar from being jammed.Simulation results show that the proposed method can effectively solve the problem of the multi-narrowband interference.
Key
words ：adaptive beamforming ；radar anti-interference ；weighted perturbation (上接第15页)
[5]
WEN Yaqing,WANG Bingzhong,DING Xiao.Wide-beam circularly polarized microstrip magnetic-electric dipole antenna for wide-angle scanning phase array[J].IEEE An-tennas and Wireless Propagation Letters,2017,16:428-431.[6]马小玲，丁丁.宽频带微带天线技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社,2006:1-26.
[7]
HE Kai,GONG Shuxi,GAO Feng.A wideband dual-band magneto-electric dipole antenna with improved feeding
strucrure[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Let-ters,2014,13:1729-1732.
[8]
余文胜，张忠祥，吴先良，等.一种紧凑型双极化电磁偶极子天线设计[J].电子元件与材料,2018,37(4):79-83.[9]YIN Yifan,ZARGHOONI B,WU Ke.Single-layered circu-larly polarized substrated-integrated waveguide horn an-tenna array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propa-gation,2017,65(11):6161-6166.
Design of millimeter-wave broadband electromagnetic dipole antenna
WANG Bing,WANG Zhiyuan,HE Yanqi,ZHAO Xuezhi
(Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)
Abstract ：In order to meet the demand of millimeter-wave wireless communication system,a broadband mil-limeter-wave electromagnetic dipole antenna is developed.The antenna is fed by slot coupling of the substrate in-tegrated waveguide,which suppresses the surface wave radiation and reduces the transmission loss.This paper us-es the electromagnetic simulation software HFSS for modeling and simulation,and also analyses the effects of the size of the radiation patch,the width of the feed gap and the radius of the metal hole on the reflection coefficient and radiation characteristics of the antenna.The simulation presents the main polarization and cross-polarization pattern characteristics of E-plane and H-plane at 28GHz and 32GHz.The result shows that the antenna ’s imped-ance bandwidth of －10dB is 25.0-33.4GHz,and the gain in the operating frequency band is stable,with the pat-tern stable,and the radiation pattern of E-plane and H-plane low cross polarization.The characteristics of broad-band and easy integration make the proposed antenna have a good application prospect in millimeter-wave wire-less communication system.
Key words ：substrate integrated waveguide ；millimeter wave ；broadband antenna ；electromagnetic dipole
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议