雙頻帶圓極化緊湊型微帶貼片陣列天線設(shè)計*

何 艷，鄧長江，馮正和，楊 虎

(1. 清華大學(xué) 電子工程系， 北京 100084； 2. 國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

雙頻帶圓極化緊湊型微帶貼片陣列天線設(shè)計*

何 艷1,2，鄧長江1，馮正和1，楊 虎2

(1. 清華大學(xué) 電子工程系， 北京 100084； 2. 國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

利用旋轉(zhuǎn)饋電方法設(shè)計雙頻帶圓極化的微帶貼片陣列天線。該陣列包括四個金屬微帶貼片單元與一個金屬微帶矩形環(huán)。每個貼片單元為側(cè)邊單點饋電的切角矩形，且關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱。矩形環(huán)被放置在陣列中心，與四個貼片單元通過四條微帶線相連。該中心矩形環(huán)既充當(dāng)了饋電網(wǎng)絡(luò)，為陣列提供了產(chǎn)生圓極化波所需的遞增相位，又參與了輻射，提高了陣列天線的輻射性能。由于采用了矩形環(huán)饋電貼片單元的方式，該陣列只需單層介質(zhì)板，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，而且在兩個頻段內(nèi)實現(xiàn)了圓極化輻射。經(jīng)加工、制作并進行測試，該陣列的-10 dB阻抗帶寬分別為5.17 GHz～5.59 GHz和5.99 GHz～6.27 GHz，3 dB軸比帶寬分別為5.19 GHz～5.49 GHz和6.1 GHz～6.18 GHz。

旋轉(zhuǎn)饋電；雙頻帶；圓極化；微帶貼片陣列

隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，衛(wèi)星天線的設(shè)計得到了越來越多的研究。由于圓極化波對天線極化不敏感，且在傳播過程中受雨霧等因素干擾較小，因而被廣泛用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。此外，衛(wèi)星通信通常需要下行鏈路與上行鏈路以實現(xiàn)頻分雙工。雙頻天線為這類應(yīng)用提供了較好的解決方案。一方面，它可以抑制帶外的干擾，比寬帶天線節(jié)省了濾波器；另一方面，它的兩個頻段帶寬的調(diào)節(jié)較獨立，可根據(jù)需求來確定上行鏈路和下行鏈路的帶寬(下行鏈路一般比上行鏈路帶寬要寬)。因此，研制雙頻圓極化天線不但可以使衛(wèi)星通信實現(xiàn)收發(fā)天線一體，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，而且減小了電磁兼容問題。

雙頻圓極化微帶天線技術(shù)目前已有很多研究成果，最常用的方法是采用雙層微帶結(jié)構(gòu)引入兩個不同諧振頻率的圓極化輻射單元[1-2]，或者在單層微帶結(jié)構(gòu)上排布兩個不同頻率輻射圓極化單元[3]形成雙頻輻射，或利用單個天線多個工作模式來實現(xiàn)雙頻[4-5]。但這些傳統(tǒng)方法設(shè)計的雙頻天線體積較大，剖面較高，不利于小型化設(shè)計。尤其當(dāng)需要提高天線增益而組成陣列時，饋電網(wǎng)絡(luò)又增加了天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。旋轉(zhuǎn)饋電是一種用來改善圓極化帶寬特性的饋電方法[6-10]，常用于寬帶圓極化天線陣列，且往往采用多層介質(zhì)板設(shè)計。

本文在已有文獻旋轉(zhuǎn)饋電設(shè)計方法的基礎(chǔ)上加以變形，設(shè)計了一種雙頻帶圓極化微帶貼片陣列天線。該天線具有以下特點：①貼片單元采用對角線切角設(shè)計，并通過類似旋轉(zhuǎn)饋電方式形成陣列的雙頻帶圓極化輻射。②獨特的天線饋線設(shè)計，陣列中心的方形金屬環(huán)既為饋電裝置又是一個圓極化輻射單元[11]。由于沒有額外饋電結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，且輻射增益較高。③與引用文獻中提到的多層板設(shè)計相比，單層基板設(shè)計減小了天線設(shè)計復(fù)雜度。④近似旋轉(zhuǎn)饋電方法改善了雙頻帶每個頻帶內(nèi)圓極化帶寬特性，且兩個頻帶的頻率比僅為1.15。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 天線結(jié)構(gòu)及尺寸

天線為2×2微帶貼片陣列，其結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖如圖1所示。貼片位于單層基板上，基板兩條邊分別為ws和ls，陣列采用旋轉(zhuǎn)饋電設(shè)計，四個貼片單元擺放方向依次旋轉(zhuǎn)90°。其中每個微帶單元貼片采用對角線切角設(shè)計，切角的直角邊長為wc，并由側(cè)邊饋電，饋線長lt，寬度為wt。四個貼片中心為一個外邊長為lh、寬度為wh的矩形金屬環(huán)，金屬環(huán)四條邊的中點分別連接上述四條饋線。金屬環(huán)內(nèi)有一個L形匹配支路，其中一條支路上開一個通孔，與同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體相連，為系統(tǒng)饋電。同軸接頭的外導(dǎo)體接地。該微帶貼片陣列基板采用Roger 5880，相對介電常數(shù)為εr，厚度為h。經(jīng)過Ansoft HFSS仿真軟件優(yōu)化，該陣列天線各尺寸參數(shù)值詳見表1，加工實物照片如圖2所示。

圖2 貼片陣列加工的實物照片F(xiàn)ig.2 Real photograph of the proposed patch array

1.2 天線工作原理

該陣列天線的貼片單元為對角線切角設(shè)計，即通過引入微擾Δs，在矩形微帶貼片天線上激勵起TM01模和TM10模這兩個輻射正交極化的簡并模[12]?？紤]到切角貼片的兩條對角線長度不相等，兩個對應(yīng)的諧振頻率也不同，該貼片單元的極化隨工作頻率的增加而呈現(xiàn)出線極化—圓極化—線極化的變化過程。這種極化狀態(tài)的變化能有效擴展陣列的帶寬。這是因為旋轉(zhuǎn)饋電方式對各個單元的極化不敏感，它只需要矢量疊加的電場為圓極化。因此，通過選擇合適的饋電方式，整個天線陣列在傳播軸上有可能產(chǎn)生圓極化波[13]。

圖3顯示了三個不同頻率點對應(yīng)的T=0°和T=90°時刻陣列天線表面電流分布的仿真情況。其中左邊是T=0°時的電流分布，右邊是T=90°時電流分布。

(a) f=5.2 GHz

(b) f=5.5 GHz

(c) f=6.16 GHz 圖3 T=0°和T=90°時陣列天線表面電流分布仿真圖Fig. 3 Simulated current distributions on the patch array at T=0°and T=90°

由圖3(a)可知，T=0°時，陣列中右斜線對角線兩個微帶貼片電流較強，處于主要工作狀態(tài)；當(dāng)T=90°時，轉(zhuǎn)換為左斜線對角線兩貼片單元處于主要工作狀態(tài)。而且T=0°和T=90°這兩個時刻的主工作電流正交。因此，盡管四個單元工作在線極化模式，陣列的極化為圓極化波。圖3(b)中，四個微帶貼片同時工作，且每個貼片單元均工作于圓極化模式。T=0°和T=90°時，陣列整體電流旋轉(zhuǎn)90°，因而也是圓極化輻射。圖3(c)與圖3(a)的電流情況相似，亦為微帶貼片單元工作在線極化模式，陣列為圓極化輻射。圖3(a)和圖3(c)的區(qū)別在于，圖3(a) 中單元的線極化主要由切角貼片的長對角線決定，工作頻率較低，而圖3(c)中單元的線極化主要由切角貼片的短對角線決定，工作頻率高。因此，適當(dāng)增大切角將拉大長對角線和短對角線的諧振頻率的間隔，從而使貼片陣列天線實現(xiàn)雙頻工作。

2 天線的仿真及測試

該微帶陣列天線經(jīng)仿真優(yōu)化、加工制作及裝配測試。

圖4反映了該微帶貼片陣列天線反射系數(shù)隨頻率變化的曲線。由圖4可看出，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，為雙頻帶工作。反射系數(shù)小于-10 dB的頻帶測量值分別為5.17 GHz～5.59 GHz和5.99 GHz～6.27 GHz。第一個頻帶由貼片的長軸線極化和圓極化這兩個模式提供，第二個頻帶由貼片的短軸線極化這一模式提供，因而第一個頻帶的帶寬更寬。

圖5顯示了該微帶貼片陣列天線的仿真與實測的軸比帶寬曲線。圖5中實測軸比小于3 dB的頻帶范圍分別為5.19 GHz～5.49 GHz和6.1 GHz～6.18 GHz，均在反射系數(shù)小于-10 dB的有效阻抗帶寬內(nèi)。測量值與仿真值頻率略有偏差，這與基板加工及介電常數(shù)偏差有關(guān)。

該微帶貼片陣列天線在微波暗室中進行了測量，其輻射方向圖及增益曲線的仿真結(jié)果和實測結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 微帶貼片陣列軸比的仿真及測量曲線Fig.5 Simulated and measured AR bandwidths of the patch array

圖6中，標(biāo)注為灰色的部分為貼片陣列3 dB軸比帶寬范圍。貼片陣列在該范圍內(nèi)實測的增益大部分高于10 dB，且能看出隨著貼片模式由線極化轉(zhuǎn)為圓極化，陣列增益有所提高，當(dāng)頻率為5.44 GHz時，增益達到最大值12.1 dB。這是由于此頻率點微帶貼片處于圓極化模式，四個微帶貼片同時工作，均參與輻射(如圖3所示)。

圖7為微帶貼片陣列天線在xoz面和yoz面上仿真和實測的歸一化輻射方向圖。圖7(a)～(c)三幅圖分別對應(yīng)頻率f=5.3 GHz，f=5.5 GHz和f=6.16 GHz。由圖7可看出該微帶貼片陣列的最大輻射方向垂直于基板平面，形狀基本對稱，仿真和實測的陣列主極化(右旋圓極化)輻射吻合較好。f=5.5 GHz時陣列交叉極化值略大于另外兩個頻率點的交叉極化值。這是由于此時四個微帶貼片上的電流均較強，它們之間的互耦影響較大。

圖6 微帶貼片陣列仿真及測量增益隨頻率的變化Fig.6 Simulated and measured gains of the patch array

(a) f=5.3 GHz

(b) f=5.5 GHz

(c) f=6.16 GHz

圖7 微帶貼片陣列不同頻率點上xoz和yoz面上的仿真及測量方向圖
Fig.7 Simulated and measured radiation patterns of the proposed patch array on xoz-plane and xoz-plane

為了研究中心環(huán)饋電的影響，圖8將相同貼片單元的無中心矩形環(huán)饋電陣列與有該饋電結(jié)構(gòu)(本文天線)的仿真增益隨頻率的變化進行了對比。由圖8可看出，采用中心矩形環(huán)饋電可提高陣列天線在有效阻抗帶寬內(nèi)的增益，即該中心矩形環(huán)既充當(dāng)了饋電網(wǎng)絡(luò)，又改善了天線輻射能。

圖8 本文天線與無中心環(huán)饋電陣列的仿真增益變化Fig.8 Simulated gains of the proposed antenna and the patch array without mental square ring

3 結(jié)論

本文介紹了一種2×2雙頻帶圓極化微帶貼片陣列天線。陣列單元采用對角線切角設(shè)計，可工作于線極化—圓極化—線極化三種狀態(tài)。陣列采用旋轉(zhuǎn)饋電方式，使之整體形成圓極化輻射。其中長軸引起的線極化和圓極化模式構(gòu)成第一個工作頻帶，短軸引起的線極化形成第二個工作頻帶。該天線經(jīng)過加工測試，其實測的-10 dB阻抗帶寬分別為5.17 GHz～5.59 GHz和5.99 GHz～6.27 GHz，軸比小于3 dB的軸比帶寬分別是5.19 GHz～5.49 GHz和6.1 GHz～6.18 GHz，且當(dāng)f=5.44 GHz時，陣列擁有12.1 dB最大增益。該雙頻帶圓極化貼片陣列只需單層介質(zhì)板，具有結(jié)構(gòu)緊湊、饋電簡單、頻率比小的優(yōu)點，在衛(wèi)星通信中具有較好的應(yīng)用前景。

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Compact dual-band circularly polarized microstrip patch array

HE Yan1,2, DENG Changjiang1, FENG Zhenghe1, YANG Hu2

(1. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2. College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

A dual-band circularly polarized patch array using a sequential-phase feeding network was presented. The array includes four metal patches and a metal square ring. Each rectangle patch was cut in diagonal corners, and was excited by feeding lines on the edge. The feeding lines are microstrip which are connected to the middle metal square ring. In addition, four patches are rotated arrangement. The middle mental square ring is not only a feeding network which provides increasing phase for circularly polarization, but also a radiator which enhances the performance of the array. With this feeding way, the patch array just has single-layer substrate and it is compact. In addition, it radiates circularly polarized patterns in two working bands. Through fabrication, test and measurement, the -10 dB impedance bandwidth of the patch array is 5.17 GHz～5.59 GHz and 5.99 GHz～6.27 GHz. The measured 3 dB AR bandwidth is 5.19 GHz～5.49 GHz and 6.1 GHz～6.18 GHz.

sequential-phase feeding; dual-band; circularly polarized; microstrip patch array

10.11887/j.cn.201606030

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(61371012)

何艷(1980—)，女，湖南新邵人，博士研究生，E-mail：he-y12@mails.tsinghua.edu.cn； 馮正和(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：〗fzh-dee@tsinghua.edu.cn

TN95

A

1001-2486(2016)06-186-05

http://journal.nudt.edu.cn