Ka波段寬帶圓極化微帶天線單元及陣列設(shè)計*

胡志慧，姜永華，李 娜，凌 祥

(1海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001;2 91917部隊，北京 100000)

0 引言

Ka波段是毫米波段中的一部分，其微帶天線具有體積小、重量輕、剖面薄、易共形、方向性好、探測精度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、引信等方面獲得了廣泛應(yīng)用。然而，在Ka波段，雨霧等空中水凝物對電磁波后向散射形成的雨雜波嚴(yán)重影響了雷達(dá)的探測精度。由于圓極化微帶天線可以有效抑制雨雜波干擾和抗多徑反射[1]，從而可減弱雨雜波對雷達(dá)探測性能的影響，因此，對Ka波段圓極化微帶天線的研究有重要意義。

微帶天線獲得圓極化的基本原理是激起兩個幅度相等、極化方式正交的線極化波，其實(shí)現(xiàn)方法主要有單饋法及多饋法。文獻(xiàn)[2]采用方形切角微帶天線單元研制了毫米波圓極化單脈沖天線陣列，盡管結(jié)構(gòu)簡單，但軸比帶寬只有1.2%，極化性能也較差;文獻(xiàn)[3]研制了Ka波段高增益圓極化微帶天線陣列，軸比帶寬得到一定提高，達(dá)到了5.6%;文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別采用4層介質(zhì)耦合饋電和正交 H形口徑耦合饋電設(shè)計了寬帶圓極化微帶天線，獲得了較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，但這種天線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸比較大，不適合陣列天線的應(yīng)用。

文中提出了一種基于矩形縫隙耦合的Ka波段圓極化微帶天線單元，分析了各參數(shù)對天線軸比特性的影響，采用CST軟件對天線單元進(jìn)行了仿真優(yōu)化，得到了合理的天線尺寸;然后以該天線單元為基礎(chǔ)，采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)[6]，設(shè)計了4×4寬帶圓極化微帶天線陣列，顯著改善了天線的軸比帶寬和圓極化純度。

1 天線單元設(shè)計

1.1 天線單元結(jié)構(gòu)

縫隙耦合饋電的主要優(yōu)點(diǎn)是避免在基片上打孔，饋電層與輻射層通過中間接地層完全隔離，分別裝在兩個介質(zhì)板上，減小了饋電網(wǎng)絡(luò)對天線輻射單元的影響，交叉極化電平低，阻抗帶寬寬，更容易實(shí)現(xiàn)圓極化等。

基于矩形縫隙耦合的圓極化微帶天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由兩層介質(zhì)板、微帶貼片、微帶饋線及開在接地板上的耦合縫隙組成。兩層介質(zhì)板的介電常數(shù) εr均為 2.2，第一層介質(zhì)厚度h1為0.25mm，第二層介質(zhì)厚度 h2為 0.5mm。第一層介質(zhì)下側(cè)為微帶饋線，微帶饋線終端開路，通過調(diào)節(jié)其長度來改善天線的阻抗匹配特性，饋線寬度為 W2，終端長度為L2，特性阻抗為 100Ω。接地板位于第一層介質(zhì)和第二層介質(zhì)中間，接地板上開有矩形縫隙，寬度和長度分別為WS和LS，能量通過矩形縫隙耦合到輻射貼片上。矩形微帶天線印制于第二層介質(zhì)板的上側(cè)，采用附加簡并分離單元來實(shí)現(xiàn)圓極化，矩形貼片寬度和長度分別為WP和LP，切角深度分別為W1和L1。

圖1 基于矩形縫隙耦合的圓極化微帶天線單元結(jié)構(gòu)

1.2 參數(shù)分析

由腔模理論知，天線的諧振頻率主要由天線長度LP決定，軸比特性主要由簡并分離單元決定，但是由于采用縫隙耦合饋電方式，矩形縫隙的尺寸對天線諧振頻率和軸比特性也有較大影響。縫隙寬度WS增加，耦合強(qiáng)度加強(qiáng)，諧振電阻增加，諧振頻率變低;矩形貼片長度LP增加，天線的諧振頻率變低。

天線采用切角的方法實(shí)現(xiàn)圓極化，為進(jìn)一步研究切角深度對天線軸比特性的影響，利用CST分別對切角長度和寬度進(jìn)行了仿真分析。圖2表明，切角寬度W1主要影響軸比值為最小時的頻率，當(dāng)切角寬度由大變小時，頻率逐漸向左偏移。圖3表明，切角長度L1主要影響軸比值的大小，隨著切角長度的增加，天線的軸比值變小，軸比帶寬增加。

1.3 仿真結(jié)果

利用CST對天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化后，得到的尺寸如表1所示。

圖2 切角寬度對軸比特性影響

圖3 切角長度對軸比特性影響

表1 天線單元尺寸 mm

仿真得到的S參數(shù)如圖4所示，天線在32.4～39.4GHz頻率內(nèi) S11 ＜－10dB，相對阻抗帶寬為20%。天線單元的軸比特性如圖5所示，在34.5～35.8GHz頻率內(nèi)AR ＜3 dB，相對軸比帶寬為3.7%。天線工作在 35GHz時，E面和 H面的左旋極化(LHCP)方向圖及右旋極化(RHCP)方向圖如圖6所示，由圖知該天線為左旋圓極化天線。

圖4 天線單元S11曲線

圖5 天線單元軸比隨頻率變化曲線

圖6 天線單元極化方向圖

2 天線陣列設(shè)計

為有效提高軸比帶寬，增加天線增益，降低交叉極化電平，采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)，對上述天線單元進(jìn)行組陣。4×4毫米波圓極化天線陣面分布及耦合饋電網(wǎng)絡(luò)分別如圖7和圖8所示。

圖7 天線陣面分布

圖8 口徑耦合饋電網(wǎng)絡(luò)

天線陣元縱橫對稱分布，陣元間距均為6.4mm(約 0.75λ0，35GHz時 λ0=8.57mm)。各天線單元依次旋轉(zhuǎn) 90°，饋電相位依次為 0°、90°、180°、270°，饋電幅度相等。采用T形接頭進(jìn)行功分，在功分之前采用70.7Ω的四分之一阻抗變換器進(jìn)行阻抗變換，其寬度為 0.45mm，長度為 1.65mm。

仿真得到的天線陣列軸比特性如圖9所示，天線陣列在 31.8～37.8GHz內(nèi) AR ＜3dB，相對軸比帶寬達(dá)17%。S參數(shù)如圖 10所示，天線在 31.4～40.2GHz內(nèi)S11＜－10dB，相對阻抗帶寬為25%。由此可知，與傳統(tǒng)天線陣列相比，采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)大大改善了天線的圓極化純度和軸比帶寬。天線增益隨頻率的變化曲線如圖11所示，天線在整個阻抗帶寬內(nèi)增益均大于15dB，最大增益為19.4dB。圖12～圖14為天線陣在32、35、37GHz時 E面和 H面的左右旋極化方向圖。由圖可知，在整個頻帶內(nèi)，天線陣的左旋極化方向圖都比較穩(wěn)定，3dB波束寬度約為15°，副瓣電平均低于－15dB，交叉極化電平低于－18dB。該天線陣具有頻帶寬、增益高及圓極化性能好等特點(diǎn)。

圖9 天線陣軸比隨頻率變化曲線

圖10 天線陣S11曲線

圖11 天線陣增益隨頻率變化曲線

圖12 天線陣在32GHz時的極化方向圖

圖13 天線陣在35GHz時的極化方向圖

圖14 天線陣在37GHz時的極化方向圖

3結(jié)論

文中提出了一種基于矩形縫隙耦合的Ka波段圓極化天線單元結(jié)構(gòu)，采用簡并分離實(shí)現(xiàn)圓極化，通過調(diào)整切角深度及縫隙尺寸實(shí)現(xiàn)了良好的圓極化特性及阻抗匹配。針對傳統(tǒng)微帶天線阻抗帶寬和軸比帶寬窄的不足，采用了順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)，設(shè)計了4×4寬帶圓極化微帶天線陣列，顯著改善了天線的圓極化純度和軸比帶寬。仿真結(jié)果表明，該天線單元阻抗帶寬為20%，軸比帶寬為3.7%，采用順序旋轉(zhuǎn)饋電組陣后，天線陣列的阻抗帶寬和軸比帶寬分別達(dá)25%和17%，天線陣列最大增益為19.4dB，在整個頻帶內(nèi)，天線增益均大于15 dB，交叉極化電平均低于－18dB。這種結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線具有帶寬寬、圓極化性能好、增益高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適合作為大型陣列的子陣。

由于Ka波段微帶天線其工作頻率較高，陣元之間的互耦以及微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的帶寬對天線性能會產(chǎn)生很大影響，因此，如何降低陣元之間互耦以及如何實(shí)現(xiàn)寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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