一種新型Ku頻段寬帶高增益雙極化微帶天線陣列

陳振寧 梁仙靈 葉 聲 王文智 徐 燁 耿軍平 金榮洪

（教育部高速電子系統(tǒng)設(shè)計與電磁兼容研究重點實驗室，上海交通大學(xué)，上海200240）

1.引 言

近年來，隨著衛(wèi)星通信的飛速發(fā)展，無論是公安消防，還是搶險救災(zāi)，甚或軍事領(lǐng)域，應(yīng)急通信指揮都對車載移動通信系統(tǒng)的機(jī)動性和生存能力提出了很高的要求。目前大多數(shù)衛(wèi)星通信地面終端采用傳統(tǒng)的拋物面天線，但這種天線不僅體積大、重量沉，而且造價高、加工難度大，尤其是無法適用于對機(jī)動性很高的車載移動衛(wèi)星通信。

微帶天線以其低剖面、重量輕、易共形，易于加工以及饋電方式多樣化等特點越來越受到關(guān)注，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，而其中微帶雙極化天線一直以來都是研究與應(yīng)用最多的一種天線形式[1]。目前常見的微帶雙極化天線的激勵方式主要采用口徑耦合饋電[2－5]，即通過在地板上開正交的縫隙來進(jìn)行饋電。這種饋電的好處是拓展了帶寬，降低了交叉極化，而且減少了饋電網(wǎng)絡(luò)對天線輻射單元的耦合。但缺點是對加工精度要求高，加工工藝復(fù)雜，而且口徑的存在增加了天線的背向輻射，往往需要在天線的下方增加一塊反射板，增加了天線的高度和重量。此外，口徑耦合的效率也沒有直接饋電高，組陣后難以獲得較高增益。

針對低剖面、高增益、適于批量生產(chǎn)等實際應(yīng)用需求，本文結(jié)合共面饋電和探針背饋兩種不同的饋電方式設(shè)計了一種Ku頻段的高增益雙極化天線單元。單元采用方形貼片，兩個極化的饋電點分別位于方形貼片相鄰的兩邊中點，結(jié)構(gòu)緊湊，而且可以很方便地進(jìn)行組陣。在此單元的基礎(chǔ)上綜合利用層疊貼片、反向饋電等技術(shù)，組成了工作在14～14.5 GHz頻段的96元陣列天線，該陣列天線較好地抑制了交叉極化，同時也得到了較高的口徑效率。使用CST軟件對天線進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最后實際制作并進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示了設(shè)計的合理性和可行性。

2.單元設(shè)計

圖1所示為天線單元結(jié)構(gòu)示意圖，從上至下共三層介質(zhì)板。單元采用雙層方形貼片，由激勵貼片和寄生貼片組成。其中，激勵貼片位于第二塊介質(zhì)板 的上層，邊長為λe/2（λe為等效波長），寄生貼片位于第一塊介質(zhì)板的下層，第一、二塊介質(zhì)板之間為空氣層。常見的矩形貼片天線因輸入阻抗過大而難于進(jìn)行阻抗匹配，然而引入這種倒置形式的寄生貼片以后，將使天線單元非常易于調(diào)諧。此外，第一層介質(zhì)板還起到了天線罩的作用。

兩種極化采用不同方法饋電，如圖1（a）所示，水平極化的饋電網(wǎng)絡(luò)位于第二塊介質(zhì)板的上層，與激勵單元共面，垂直極化的饋電網(wǎng)絡(luò)位于第三塊介質(zhì)板的下層，采用探針背饋，第二、三塊介質(zhì)板之間為共用的地。饋電時，兩者分別激勵起相互正交的TM10模和TM01模，實現(xiàn)雙線極化工作。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)圖

用CST軟件對單元進(jìn)行仿真，單元接地板的長和寬均設(shè)置為0.8λe.通過微調(diào)寄生貼片的大小可以獲得較大的阻抗帶寬，本文的設(shè)計中令寄生貼片和激勵貼片大小相等即可滿足帶寬需求。通過調(diào)節(jié)空氣層的高度可以獲得較高的增益[6]，在本單元的設(shè)計中，沒有對空氣層高度進(jìn)行高精度掃描，而是綜合考慮增益和剖面高度，選取空氣層高度hp為0.1 λe，此時增益并不是最優(yōu)值，但是相對較高，已經(jīng)符合設(shè)計要求，見表1。結(jié)果顯示，仿真得到的單元天線增益為7.8～8 dBi.

表1 空氣層高度對單元增益的影響

3.陣列設(shè)計

為了獲得高增益，必須對微帶天線進(jìn)行組陣，而陣列的設(shè)計核心在于饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。首先利用上述單元設(shè)計了四元陣，如圖2所示，兩種極化的饋電網(wǎng)絡(luò)均采用并饋形式。水平極化饋電網(wǎng)絡(luò)中，左右兩個相鄰的貼片單元之間采用等幅反向饋電，上下兩組貼片之間采用等幅同向饋電；垂直極化饋電網(wǎng)絡(luò)正好相反，左右相鄰貼片之間采用等幅同向饋電，上下兩組之間采用等幅反向饋電。反向饋電技術(shù)的引入達(dá)到了抑制交叉極化的效果。此外，考慮到水平極化網(wǎng)絡(luò)與激勵單元共面會帶來不必要的耦合和寄生輻射，所以大部分饋線設(shè)計成彎折線，并保證各接頭處相對垂直，這種結(jié)構(gòu)降低了直線型網(wǎng)絡(luò)帶來的耦合[7]。用CST仿真時，陣元間距設(shè)為0.8λe，增益達(dá)到最大化，14.25 GHz處水平極化增益的仿真值為13.7 dBi，垂直極化增益的仿真值為14.1 dBi.反射系數(shù)隨頻率變化的仿真曲線如圖3所示，可見仿真的阻抗帶寬在15%以上，可以利用該四元陣組成更大的陣列。

利用CST仿真軟件在以上四元陣基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計了96元的雙極化天線陣列，并制作了實物，三層介質(zhì)板均是Arlon AD系列板材，介電常數(shù)為2.55，厚 度 均 為 0.762 mm，空 氣 層 的 厚 度 為1.5 mm.天線實物圖如圖4所示。為了降低饋線插損以及饋線與鄰近貼片之間的耦合，兩種極化端口的輸出口均用同軸線背饋的方式。

為了降低旁瓣，本文對兩層饋電網(wǎng)絡(luò)均進(jìn)行了幅度加權(quán)，使得天線陣電流幅度呈現(xiàn)中間大兩邊小的分布，加權(quán)的比例通過微擾饋電網(wǎng)絡(luò)中功分節(jié)點處的微帶線阻抗來控制。如果將整個96元陣列在方位面內(nèi)等效劃分為4個8×3的子陣，那么加權(quán)的效果是這4個子陣等效獲得的電流幅度比例約為3∶4∶4∶3，當(dāng)然這只是一個基于阻抗變換原理的估算值，并不十分精確，為此需要根據(jù)旁瓣電平抑制的效果對饋電網(wǎng)絡(luò)不斷做出修改。

在上述基礎(chǔ)上，針對增益和方向圖分別對兩層饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化仿真，從而提高陣列的口徑效率。

4.測試結(jié)果

用Agilent的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該96元陣列的S參數(shù)進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖5所示。其中，水平極化端口在13.4～15 GHz頻帶內(nèi)回波損耗低于－10 d B，相對阻抗帶寬為11.3%；垂直極化端口在13.28～15.24 GHz頻帶內(nèi)回波損耗低于－10 dB，相對阻抗帶寬為13.7%。從圖5中可以看出，實測和仿真的曲線基本吻合，局部頻率發(fā)生少許偏移可能是由有限的加工精度引起的。

圖5 96元陣列天線S參數(shù)仿真與實測結(jié)果

在戶外半開放空間對天線進(jìn)行了方向圖和增益的測試。圖6給出了14.25 GHz時兩種極化測得的主極化和交叉極化方向圖（E面和H面），并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。由圖6可見，水平極化E面的旁瓣電平為－11.3 d B，H面的旁瓣電平為－15.5 dB，交叉極化電平低于－30 dB；垂直極化E面的旁瓣電平為－14.7 dB，H面的旁瓣電平為－12.7 dB，交叉極化電平低于－30 dB.其中，水平極化E面存在兩個問題：旁瓣電平偏高，表明在對天線陣列水平極化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅度加權(quán)時沒有控制好加權(quán)比例，有待于在后面的工作中進(jìn)一步改善；交叉極化電平偏高，主要是由于測量時天線H面的中心難以精確對準(zhǔn)發(fā)射源，有微小的偏移。除此之外實測和仿真結(jié)果吻合的很好。

表2給出了陣列天線的仿真與實測增益，實測增益比仿真增益低0.5～1 d B.由此可見，若考慮天線焊接、SMA接頭等帶來的誤差，實測增益與仿真增益十分相近，說明饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的比較合理，饋線損耗較小。

表2 96元天線陣列的仿真和實測增益

5.結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新型的工作于Ku波段的96元雙極化微帶天線陣列，綜合運(yùn)用了層疊貼片技術(shù)、反向饋電技術(shù)，在獲得高增益的基礎(chǔ)上拓展了帶寬。實際加工的96元陣列測試結(jié)果表明：兩個極化的增益均達(dá)到26 d Bi，口徑效率約為51%，水平極化端口相對阻抗帶寬達(dá)11.3%，垂直極化端口相對阻抗帶寬達(dá)13.7%，兩端口隔離度高于40 d B.此外，這種微帶天線陣列具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等特點，可以很方便地以此96元陣列為模塊進(jìn)行組陣，通過控制各個模塊之間的幅相分配，得到更高性能的天線陣列，應(yīng)用到衛(wèi)星通信中。

[1] 鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用[M] .西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[2] GHORBANI K，WATERHOUSE R B.Dual polarized wide－band aperture stacked patch antennas[J] .IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，52（8）：2171－2174.

[3] EDIMO M，SHARAIHA A，TERRET C.Optimised feeding of dual polarised broadband aperture－coupled printed antenna [J] .Electronics Letters，1992，28（19）：1785－1787.

[4] 梁仙靈，鐘順時，汪 偉.高隔離度雙極化微帶天線直線陣的設(shè)計[J] .電子學(xué)報，2005，33（3）：553－555.LIANG Xianling，ZHONG Shunshi，WANG Wei.Design of a dual－polarized linear microstrip antenna array with high isolation[J] .Acta Electronica Sinica，2005，33（3）：553－555.（in Chinese）

[5] 王 宇，姜 興，李思敏.Ku波段寬頻帶雙極化微帶天線陣的設(shè)計[J] .電波科學(xué)學(xué)報，2008，23（2）：276－279.WANG Yu，JIANG Xing，LI Simin.Design of a broadband and dual－polarized microstrip array antenna at Ku band[J] .Chinese Journal of Radio Science，2008，23（2）：276－279.（in Chinese）

[6] NISHIYAMA E，AIKAWA M，EGASHIRA S.Stacked microstrip antenna for wideband and high gain[C] //IEE Proc.－Microw.Antennas Propag.，2004，151（2）：143－148.

[7] 楊 光，金榮洪，耿軍平.微帶天線陣列的一種新穎饋電網(wǎng)絡(luò)[J] .中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2009，4（2）：202－204.YANG Guang，JIN Ronghong，GENG Junping.A novel feed network for microstrip antenna array[J] .2009，4（2）：202－204.（in Chinese）