面向太赫兹无线网络的超宽带圆极化缝隙波导天线创新设计

《Next Research》：ULTRA WIDE BAND CIRCULARLY POLARIZED SLOTTED WAVEGUIDE ANTENNA FOR SUB-TERAHERTZ WIRELESS NETWORKS

本文提出了一种在WR-03波导上集成高带宽圆极化Hexa-X天线阵列的新颖设计。该结构采用六边形互补开口环谐振器(CSRR)环绕X形主辐射缝隙排列，实现了103 GHz阻抗带宽（180-283 GHz）和28 GHz轴比带宽（217-245 GHz），峰值增益达12 dBi，辐射效率达89.7%。通过渐进调节CSRR缝隙宽度可实现30°波束扫描，并采用LC等效电路验证了反射系数矩阵的准确性。该天线为太赫兹无线网络提供了高增益、高效率的圆极化辐射解决方案。

　　

天线设计

基础缝隙波导(SWA)结构通过在波导宽壁或窄壁上按特定间距和方向排列均匀矩形缝隙构成[19]。波导内电磁波激励会在缝隙处产生偶极电荷分布而形成辐射单元，各单元间距需匹配导波波长(λ_g)以实现波束相干叠加，从而获得高增益。圆极化(CP)电磁波...

参数化研究

通过参数化分析确定了优化几何尺寸，以确保回波损耗、增益、轴比和辐射特性达到最佳效果。

辐射方向图

图9(a,c)和(b,d)分别展示了天线在E面(phi=90°)和H面(phi=0°)的辐射方向图。仿真显示主瓣方向为43°，3dB波束宽度为17.1°。图中同时绘制了E面和H面的同极化与交叉极化电平，结果表明在圆极化频段内辐射方向图保持稳定。

波束扫描

波束扫描能力在太赫兹频段的成像、扫描和路径偏转应用中极具价值。通过渐进减小CSRR缝隙宽度（图10和表3尺寸参数）实现扫描，缝隙宽度差异会引起谐振频率偏移和显著相位变化。

LC等效实现

图12展示了天线的LC等效电路模型，表4列出了LC计算值。每个LC模块代表一个单元细胞的等效电路并具有独特谐振频率，阵列排列形成梯形LC网络，多谐振频率叠加促成高阻抗带宽。图13为LC等效电路的S₁₁响应。

结果分析

采用有限元法进行电磁仿真：图14(a)显示阻抗带宽达103GHz；图14(b)显示260GHz时峰值增益12dBi、最大指向性13dBi；图14(c)显示轴比带宽28GHz（217-245GHz）；图14(d)显示辐射效率达89.7%。目前...

反射器增益增强天线

通过在图17所示的宽壁侧集成金属喇叭型反射器结构，可将Hexa-X SWA升级为高增益定向天线。该技术能将波束聚焦于传播方向，适用于需高增益指向性且低功耗的场景。几何尺寸详见...

结论

六边形CSRR单元与X形主辐射缝隙的组合使Hexa-X天线实现103GHz阻抗带宽、12dBi峰值增益和89.7%辐射效率。相对阻抗带宽达44.49%，优于现有文献。28GHz轴比带宽表明其在宽频段内具有有效圆极化特性，波束扫描功能...