一種寬帶毫米波圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)

王 堃，金榮洪，耿軍平，梁仙靈，李建平

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海 200240)

工程與應(yīng)用

一種寬帶毫米波圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)

王 堃1，金榮洪1，耿軍平1，梁仙靈1，李建平2

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海 200240)

設(shè)計(jì)了一種緊湊饋電網(wǎng)絡(luò)的寬帶毫米波圓極化微帶陣列天線，采用縫隙耦合饋電的寬帶圓極化微帶天線單元和緊湊的S形曲線并聯(lián)等相差圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了2×2的寬帶圓極化微帶陣列天線，分析了各個(gè)參數(shù)對天線特性的影響，獲得了較好的寬帶圓極化特性。并以該2×2天線陣列為基本子陣，通過并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到4×4的寬帶圓極化微帶天線陣列。實(shí)測和仿真結(jié)果基本一致，實(shí)現(xiàn)了良好的寬帶圓極化特性。

毫米波；寬帶；緊湊高效饋電網(wǎng)絡(luò)；圓極化；微帶陣列天線

0 引 言

近年來，隨著毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，其在衛(wèi)星通信、星載雷達(dá)、高精度制導(dǎo)以及下一代5G移動通信等各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。Ka波段作為毫米波的重要組成部分，可以提供的帶寬更大、通信容量更高、終端尺寸更小以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其成為未來通信發(fā)展的重要頻段。

毫米波微帶陣列天線已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，文獻(xiàn)[1]采用雙層介質(zhì)基板，通過縫隙耦合的并饋方式設(shè)計(jì)了一種工作在Ka波段的十六元微帶天線陣列，獲得8%的阻抗帶寬；文獻(xiàn)[2]對工作在毫米波段的切角貼片單元采用了傾斜角度的饋線，同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)采用串并結(jié)合的饋電方式。改善了圓極化帶寬和阻抗帶寬，分別達(dá)到了1.3%和4.7%；文獻(xiàn)[3]分別設(shè)計(jì)了4元和8元U型槽饋電的毫米波天線陣列，饋電網(wǎng)絡(luò)均采用并饋的方式，有效阻抗帶寬分別為3.28%和3.85%；文獻(xiàn)[4] 設(shè)計(jì)了一種采用寄生貼片的交叉槽作為圓極化單元，并通過90度的延遲線饋電。該延遲線有三個(gè)分支可以實(shí)現(xiàn)相位延遲，振幅補(bǔ)償以及阻抗匹配的效果，獲得較好的軸比寬帶特性，實(shí)測結(jié)果表明16元陣列的軸比帶寬為14%；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種寄生圓環(huán)的L型輻射貼片天線，通過旋轉(zhuǎn)饋電實(shí)現(xiàn)圓極化，該天線陣列的有效阻抗帶寬達(dá)到24%。上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的毫米波天線多采用縫隙耦合，通過并饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了較好的輻射性能，并獲得較寬的阻抗帶寬，為毫米波段微帶陣列天線的設(shè)計(jì)提供了很好的設(shè)計(jì)思路和方法。

由于毫米波天線電尺寸很小，天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)可用空間范圍很有限，增加了設(shè)計(jì)難度且易出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，不易擴(kuò)展為大型陣列。同時(shí)受到毫米波段的加工工藝精度的限制，也是影響毫米波天線電性能的原因之一。針對毫米波段微帶陣列天線設(shè)計(jì)中存在帶寬窄，強(qiáng)耦合，擴(kuò)展性不佳等諸多問題，本文設(shè)計(jì)了工作在Ka波段的寬帶圓極化微帶陣列天線，采用寬帶圓極化天線單元與一種結(jié)構(gòu)緊湊的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)2×2寬帶圓極化天線子陣，以該子陣為基礎(chǔ)，通過并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到4×4寬帶圓極化天線陣列。該天線陣列結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的饋電網(wǎng)絡(luò)降低了毫米波天線陣列的設(shè)計(jì)難度，有較好的擴(kuò)展性。對實(shí)現(xiàn)寬帶性能，改善圓極化純度有很大的優(yōu)勢。

1 天線單元

借鑒文獻(xiàn)[1]天線單元的設(shè)計(jì)思路，此處采用縫隙耦合饋電的切角貼片實(shí)現(xiàn)方法來設(shè)計(jì)圓極化天線單元，結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用兩層介質(zhì)板的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)掃描與優(yōu)化，得到Ka波段的天線單元最佳參數(shù)如表1，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

aba1b1L16.86.82.482.251.14w1L2w2k1k20.31.820.690.610.61

圖2 天線單元仿真結(jié)果

2 寬帶波束形成器的設(shè)計(jì)

2.1 2×2天線陣列設(shè)計(jì)

2.1.1 2×2天線陣列布局

為了進(jìn)一步提高天線增益，拓展帶寬，改善圓極化特性，將上節(jié)設(shè)計(jì)的圓極化天線單元順序旋轉(zhuǎn)構(gòu)建2×2圓極化陣列，如圖3(a)所示。相應(yīng)地四元陣列的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)也要保證各天線單元端口饋電相位差90o，如圖3(b)所示。

圖3 2×2天線陣列

由于采用順序旋轉(zhuǎn)90°的陣列布局，天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)可用空間極其有限，設(shè)計(jì)緊湊高效的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)是提高天線輻射效率的關(guān)鍵因素。

2.1.2 緊湊、高效圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖3(b)所示，2×2天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)通過四條臂相差90°來改善圓極化純度。同時(shí)，充分利用四個(gè)單元所圍的空白區(qū)域設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)，來滿足小型化和結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)要求。

由于各端口間最小相差90°(對應(yīng)電長度差四分之一波長)，最大相差270°，對應(yīng)電長度差二分之一波長，所以采用S形曲線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)饋電，并保證相鄰天線單元的90°相差，四條臂端口Point 1～Point 4的相位差通過微帶線路徑來補(bǔ)償，如圖4～5所示。

圖4 2×2陣列饋電網(wǎng)絡(luò)

圖5 2×2陣列各端口相位差

另一方面，如圖4所示，S形曲線導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)中微帶線的最小空間距離大約0.15倍波長，極易引起微帶線間耦合。但是，在饋電網(wǎng)絡(luò)中，如AB段與BC段，在宏觀上形成了半波長的U型結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[6]分析，這種U型微帶線結(jié)構(gòu)可以很好的抑制耦合，甚至是十分之一波長的間距也可以實(shí)現(xiàn)較好的去耦合效果。此外，在圖4的饋電網(wǎng)絡(luò)中，在A點(diǎn)，由于T型頭采用了直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，避免了與CD段的平行，也有抑制耦合的效果。

進(jìn)一步的，通過與傳統(tǒng)的并饋網(wǎng)絡(luò)組陣的天線陣列進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)的高效和低耦合特性，圖4中四個(gè)端口Point 1、Point 2、Point 3和Point 4所表示的端口相位差如圖5所示。通過圖5表明本文設(shè)計(jì)的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)具有良好的相位一致性。下面通過分別對比圖3和圖6的兩種不同饋電網(wǎng)絡(luò)的特殊點(diǎn)的電場以及能量分布，來說明本文設(shè)計(jì)的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)的高效和低耦合的特性。圖4中點(diǎn)E、點(diǎn)F和圖6中的Point A、Point B工作在35GHz時(shí)的功率流密度和電場分布的對比結(jié)果如圖7所示。

圖6 2×2圓極化傳統(tǒng)并饋網(wǎng)絡(luò)陣列

如圖7(a)和(b)所示，F(xiàn)點(diǎn)的功率流密度大于B點(diǎn)的功率流密度，說明能量在EF段微帶線的傳輸效率高于AB段。另外，從圖7(c)和(d)可以看出，S型曲線饋電網(wǎng)絡(luò)沿線電場分布清晰，線間耦合重疊部分很??；但傳統(tǒng)并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的總輸入端口和點(diǎn)A部分耦合明顯，影響傳輸效率和相差。

圖7 兩種不同饋電網(wǎng)絡(luò)分別在介質(zhì)基板的功率流密度和電場分布

此外，本文設(shè)計(jì)的2×2圓極化天線陣列在35 GHz 仿真得到陣列的法線方向的軸比為0.22 dB，如圖8所示。說明電磁信號到達(dá)四個(gè)天線單元端口時(shí)幅值和90°相移的精度很高。如圖8所示，仿真得到的陣列增益13.48 dBi和天線單元的增益對比可知，陣列口面比天線單元口面增加到4倍完全對應(yīng)。這也說明，S形曲線的并聯(lián)等相差饋電網(wǎng)絡(luò)有很好的輻射效率。兩種不同饋電網(wǎng)絡(luò)的2×2圓極化天線陣列的回波損耗以及軸比的仿真結(jié)果如圖8和表2所示。

圖8 兩種不同饋電網(wǎng)絡(luò)的2×2圓極化天線陣列的回波損耗以及軸比仿真結(jié)果

S型網(wǎng)絡(luò)并饋網(wǎng)絡(luò)S11<-10dB33.48%11.94%AR<3dB14.3%3%Gain/dB13.4913.51

該2×2圓極化天線陣列的尺寸為 13.6 mm×13.6 mm，如圖3所示。天線單元等幅饋電，各陣元的相位差依次是0°、90°、180°、270°，可以很好的改善圓極化特性。陣元間距約是0.8λ，采用0.8λ既可以保證天線陣列實(shí)現(xiàn)高增益又可以避免天線組陣時(shí)出現(xiàn)柵瓣現(xiàn)象。

本文設(shè)計(jì)的圓極化S形曲線并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、高效，與傳統(tǒng)的并聯(lián)型饋電網(wǎng)絡(luò)線路和同類型的毫米波圓極化微帶陣列天線相比，該圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，饋線路徑較短，輻射單元和饋線之間的耦合效應(yīng)較小，能量分布均衡，可以顯著的降低饋線的損耗，提高天線陣列的增益和輻射效率。與其他同類型的微帶縫隙耦合天線，微帶陣列天線等相比較，本文設(shè)計(jì)的2×2微帶天線陣列在顯著提高增益和改善軸比帶寬的同時(shí)，具有設(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，便于小型化和加工制作等優(yōu)點(diǎn)，適合作為大型天線陣列的子陣。

2.2 4×4天線陣列設(shè)計(jì)

2.2.1 4×4天線陣列布局

以上節(jié)設(shè)計(jì)的2×2圓極化天線陣列為基本子陣，采用并行同相的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了4×4圓極化天線陣列，如圖9所示。

圖9 4×4天線陣列

2.2.2 4×4圓極化天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了便于陣列擴(kuò)展形成大的陣列，采用并聯(lián)饋電技術(shù)將2×2圓極化天線擴(kuò)展為4×4圓極化天線陣列，一方面該技術(shù)可以較好地保證天線陣列實(shí)現(xiàn)高增益高輻射效率，同時(shí)在天線陣列有限的空間內(nèi)采用并聯(lián)饋電技術(shù)可以大幅度減少饋電網(wǎng)絡(luò)的帶線路徑，縮小天線陣列的面積，使得大型天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)更加簡潔。另一方面該技術(shù)巧妙的利用了U形線結(jié)構(gòu)，如圖9(b)中的ABCDE部分構(gòu)成的U型結(jié)構(gòu)，有效的抑制了帶線之間的耦合效應(yīng)。此外，4×4天線陣列采用并聯(lián)饋電技術(shù)還可以更好的保證各子陣端口的等幅同相特性，達(dá)到高效輻射的目的。

如圖10所示，4×4天線陣列的回波損耗和軸比仿真結(jié)果。有效阻抗帶寬達(dá)到33.2%；軸比AR<3 dB的圓極化帶寬是17.5%。

2×2圓極化天線陣列和4×4圓極化天線陣列的增益仿真如圖10(b)所示，最大增益分別達(dá)到13.26 dB和18.8 dB。

圖10 4×4天線陣列仿真

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

天線2×2、4×4陣列加工實(shí)物樣機(jī)如圖11所示。并進(jìn)行了天線電性能測試實(shí)驗(yàn)。天線端口反射系數(shù)通過安捷倫矢量分析儀E8361C進(jìn)行實(shí)測。實(shí)測結(jié)果如圖12所示。2×2天線陣列阻抗帶寬達(dá)到32%，端口反射系數(shù)在27.9～39.1 GHz內(nèi)小于-10 dB。4×4天線陣列阻抗帶寬達(dá)到39.7%，端口反射系數(shù)在25.7～39.6 GHz內(nèi)小于-10 dB。同時(shí)對陣列天線在工作帶內(nèi)不同的頻率點(diǎn)的方向圖和軸比進(jìn)行外場測試實(shí)驗(yàn)。由實(shí)測結(jié)果可見，2×2和4×4天線陣列的實(shí)測結(jié)果良好與仿真結(jié)果基本吻合。

圖11 天線實(shí)物照片

圖12 實(shí)測結(jié)果

4 結(jié) 語

本文采用縫隙耦合饋電，設(shè)計(jì)了一種毫米波切角圓極化微帶天線單元。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種新型高效緊湊的饋電網(wǎng)絡(luò)，最后使用該饋電網(wǎng)絡(luò)在天線單元的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了2×2和4×4天線陣列。實(shí)測結(jié)果表明，2×2和4×4天線陣列的阻抗帶寬分別達(dá)到32%和39.7%。天線陣列的旁瓣電平和交叉極化電平較低，工作頻帶內(nèi)2×2天線陣列最大增益達(dá)到13.8 dB，4×4天線陣列最大增益達(dá)到17.8 dB。由于測試環(huán)境是外場，損耗大，干擾不可避免直接影響天線的電性能，復(fù)雜的外場環(huán)境對天線測試結(jié)果帶來較大影響。

通過仿真和實(shí)測結(jié)果對比基本吻合，此天線具有較好的帶寬、高增益、圓極化特性好、結(jié)構(gòu)緊湊，剖面低的特點(diǎn)，很適合組大型天線陣列，在通信領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

[1] G. L. Dai, S. L. Lu and M. Y. Xia, “A Microstrip Patch Array with Aperture-Coupled Feeding for Ka-Band Applications,” Millimeter Waves, 2008. GSMM 2008. Global Symposium on, Nanjing, 2008, pp. 1-3.

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[5] Nasimuddin, Xianming Qing and Zhi Ning Chen, “A wideband circularly polarized microstrip array antenna at Ka-band,” 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, 2016, pp. 1-4.

[6] 陳念,耿軍平,葉聲等.緊耦合天線的反相耦合相消隔離技術(shù)[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2011,06(5):537-540.

耿軍平 (1972—)，男，陜西人，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌隼碚?、電磁?jì)算方法，信號處理；

梁仙靈 (1978—)，男，浙江人，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代天線理論與技術(shù)、有源相控陣列、DBF陣列；

李建平 (1991—)，男，湖北人，博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槿斯る姶懦牧系睦碚摷皩?shí)現(xiàn)、基于超材料的天線及射頻器件、表面等離子體激元。

Design of a Broadband Millimeter-Wave Circularly Polarized Microstrip Array Antenna

WANG Kun1，JIN Rong-hong1，Geng Jun-ping1，LIANG Xian-ling1，LI Jian-ping2

(Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Design of an extensible millimeter wave broadband circularly polarized microstrip antenna fed by aperture coupling was proposed. A 2×2 element compact and efficient feed network microstrip antenna array was designed. The influence of key parameters on antenna was analyzed, and obtain a broadband and good circular polarization. Based on the 2×2 element antenna array, the broadband circularly polarized microstrip antenna array is extended to 4×4 element antenna array by parallel feed network. The measured and simulated results are basically consistent.

millimeter wave;broadband;compact and efficient feed network;circularly polarized; microstrip antenna array

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.015

2017-01-05

2017-03-31

國家自然科學(xué)基金(61571289，61571298，61471240)

TN820

A

1673-5692(2017)02-181-06

王 堃 (1986—)，男，陜西人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠矫嫖ш嚵刑炀€；

E-mail: wanggkun@sjtu.edu.cn

金榮洪(1963—)，男，江蘇人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌隼碚?、現(xiàn)代天線技術(shù)、電磁計(jì)算方法、天線信號處理、智能天線及相控陣天線；