一種雙線雙圓極化微帶天線陣列的設(shè)計(jì)

趙東賀，蔣博，牛傳峰，孫良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種雙線雙圓極化微帶天線陣列的設(shè)計(jì)

趙東賀，蔣博，牛傳峰，孫良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

設(shè)計(jì)了一種雙線雙圓極化的多層印制板形式的微帶天線陣列，采用縫隙耦合和微帶線邊饋實(shí)現(xiàn)天線的雙極化，通過(guò)開(kāi)關(guān)及圓極化器實(shí)現(xiàn)天線的雙線雙圓極化輸出。通過(guò)對(duì)影響天線性能的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加工了天線陣列，天線實(shí)測(cè)帶寬為約15%，天線增益優(yōu)于17dB。該天線單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剖面低，可以作為大型微帶天線陣列的子陣進(jìn)行通信。

微帶天線；多層印制板；雙線雙圓極化；低剖面

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為無(wú)線通信領(lǐng)域的重要組成分支，在人類生活中起著越來(lái)越重要的作用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)天線的要求越來(lái)越高，天線研究朝著小型化，寬帶化、多極化，輕型化的方向發(fā)展[1]。

微帶天線以其良好的電氣特性以及結(jié)構(gòu)小、重量輕、易集成等優(yōu)點(diǎn)成為研究的重點(diǎn)[2-4]。常見(jiàn)的雙極化微帶天線采用共口徑正交耦合饋電方式，兩種極化的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)布置在同一層，由于兩極化饋電網(wǎng)絡(luò)的相互影響，天線的陣列規(guī)模受到限制,且由于采用微帶線饋電，天線背面需要一定厚度的空氣層，無(wú)法集成安裝其他設(shè)備。文獻(xiàn)[5]中介紹了一種改進(jìn)方法，在微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)后面1/4 波長(zhǎng)處增加一塊金屬地板，提高了增益，有利于安裝，但這種方法大大增加了天線的整體厚度。文獻(xiàn)[6]中介紹了一種饋電網(wǎng)絡(luò)的的改進(jìn)方法，采用多層微帶天線形式，通過(guò)帶線-同軸-波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換形式將兩個(gè)極化的饋電網(wǎng)絡(luò)隔離，分別布置于天線的不同印制板層，這樣避免不同極化饋電網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響，但這樣增加了設(shè)備的天線印制板層數(shù)，增加了設(shè)備的復(fù)雜度。

由于不同衛(wèi)星的信號(hào)頻率和極化方式不一樣，因此對(duì)衛(wèi)星通信天線的極化方式提出了更高的要求，本文在文獻(xiàn)[7-8]基礎(chǔ)上，使用多層印制板微帶天線形式，使用微帶線邊饋和縫隙耦合饋電兩種饋電方式實(shí)現(xiàn)雙線極化，在兩個(gè)線極化端口通過(guò)極化合成切換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙線雙圓極化。優(yōu)化了天線的饋電方式和饋電網(wǎng)絡(luò)，在不引入其他措施的情況下，實(shí)現(xiàn)天線不同極化饋電網(wǎng)絡(luò)異層布置，根據(jù)天線的使用空間，最終采用48個(gè)天線單元的陣列，天線布局采用8×8陣列，方形陣列各去掉四角16個(gè)天線單元形成圓形平面陣列。實(shí)際加工了天線陣列，給出了測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 天線單元的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)天線的雙線雙圓極化功能, 首先設(shè)計(jì)一個(gè)雙線極化的微帶貼片天線單元。雙極化微帶貼片天線單元如圖1所示，選擇正方形微帶貼片作為輻射單元, 這種單元簡(jiǎn)單、易于制造, 并且具有良好的正交極化輻射特性。為了滿足寬帶特性, 天線采用了倒置雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)形式[9], 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由三層結(jié)構(gòu)組成,從上向下分別為: 第一層是單面微波介質(zhì)板, 金屬涂層位于介質(zhì)板的下表面, 這樣布置使介質(zhì)板可以起到天線罩的作用; 第二層微波介質(zhì)板為多層板，多層板的金屬涂層共有三部分，最上層金屬涂層為輻射貼片和共面饋電的微帶線，中間層為刻蝕有對(duì)稱階梯縫隙的天線耦合饋電層，同時(shí)為上層金屬涂層的饋電線提供接地板，最下層金屬為天線耦合饋電的饋電微帶線；第三層為金屬反射板，以減少背向輻射, 同時(shí), 天線陣列的對(duì)外安裝接口也裝配反射板上。天線的所有介質(zhì)材料均采用Arlon AD255介質(zhì)板。

通過(guò)ansoft HFSS軟件對(duì)微帶貼片單元的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 得到一組最佳的單元尺寸，天線的上層輻射貼片尺寸為72mm×72mm，下層耦合饋電貼片尺寸為54mm×54mm，上層印制板和中間層印制板間距為14mm，中層印制板和下層地板間距為7mm。端口微帶線都采用50Ω(W= 2. 6mm)來(lái)設(shè)計(jì)。天線駐波比仿真結(jié)果如圖2所示，天線的兩端口的駐波在工作頻帶內(nèi)小于2.0, 采用口徑耦合饋電, 其端口駐波帶寬要相對(duì)寬一些。此外, 該單元的增益在其工作帶寬內(nèi)大于6.8dB。

圖1 天線單元示意圖 圖2 天線單元駐波比仿真結(jié)果

2 天線陣列的設(shè)計(jì)

在天線單元仿真的基礎(chǔ)上，采用天線陣列的形式使天線增益滿足使用要求?？紤]天線的實(shí)際安裝環(huán)境，天線陣列的排布方式如圖3所示，最終采用48單元天線陣列，天線陣列布局如圖3所示。天線的拼陣間距為0.65λ。

由于天線單元的不規(guī)則排布，在天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中會(huì)引入一級(jí)不等分的一分二功分節(jié)點(diǎn)，天線功率分配比1:2，設(shè)計(jì)了多級(jí)阻抗變換不等分功分網(wǎng)絡(luò)，功分網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示，由圖5仿真結(jié)果可以看出在1.625GHz處S21為-1.87dB,S31功為-4.72 dB,功分網(wǎng)絡(luò)公分比滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 天線陣列示意圖 圖4 不等分功分網(wǎng)絡(luò)示意圖

對(duì)設(shè)計(jì)的天線陣列進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了天線的方向圖和駐波比仿真結(jié)果，如圖6～圖8所示。

圖5 不等分功分網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果 圖6 天線陣列駐波比仿真結(jié)果

圖7 天線陣列H線極化仿真結(jié)果 圖8 天線陣列V線極化仿真結(jié)果

3 極化合成切換網(wǎng)絡(luò)

為了適應(yīng)不同衛(wèi)星對(duì)極化方式的需求，在雙線極化天線設(shè)計(jì)完成后還需要增加極化合成切換網(wǎng)絡(luò)，原理框圖如圖9所示。極化合成切換網(wǎng)絡(luò)由2部分組成，陣列天線輸出為H線極化和V線極化信號(hào)，H線極化信號(hào)通過(guò)同軸電子開(kāi)光切換成兩路信號(hào)H1和H2，V線極化信號(hào)通過(guò)同軸電子開(kāi)光切換成兩路信號(hào)V1和V2，其中H1和V1信號(hào)經(jīng)過(guò)圓極化器實(shí)現(xiàn)左旋圓極化信號(hào)和右旋圓極化信號(hào)，H2和V2為H線極化信號(hào)和V線極化信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)仿真結(jié)果，加工了該陣列天線，并對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試，天線樣機(jī)測(cè)試圖如圖10所示。

圖9 極化合成切換網(wǎng)絡(luò)原理框圖 圖10 天線樣機(jī)側(cè)視圖

測(cè)試結(jié)果如圖11～圖17所示，天線駐波比在工作帶寬內(nèi)小于1.8，線極化增益大于17.6dBi，天線接圓極化器后測(cè)試天線圓極化性能，天線圓極化增益大于17.2dBi，軸比在工作帶寬內(nèi)小于2。

圖11 天線樣機(jī)駐波比測(cè)試結(jié)果圖12 天線樣機(jī)H線極化方向圖測(cè)試結(jié)果

圖13 天線樣機(jī)H線極化方向圖測(cè)試結(jié)果圖14 天線樣機(jī)左旋圓極化方向圖測(cè)試結(jié)果

圖15 天線樣機(jī)右旋圓極化方向圖測(cè)試結(jié)果 圖16 天線樣機(jī)軸比測(cè)試結(jié)果

圖17 天線樣機(jī)增益測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了一種雙線雙圓極化微帶陣列天線，天線單元采用多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩種饋電方式和極化合成切換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了雙線雙圓極化，天線陣列合成網(wǎng)絡(luò)采用多級(jí)不等分功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線陣列合理布局。實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線增益、駐波比、軸比均取得了良好的結(jié)果。該天線可以作為大型微帶天線陣列的子陣進(jìn)行通信，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有廣泛的的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 劉二平，宋長(zhǎng)宏.一種新型高效率雙極化背腔陣列天線[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2015，(5)：64-66.

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[4] 梁仙靈, 鐘順時(shí), 汪偉. 高隔離度的雙極化口徑耦合微帶單元與陣列天線[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,13(1): 10-13

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[6] 王茂光，呂善偉，劉瑞祥.陣列天線分析與綜合[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,1989.

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[8] 李建新, 李迎林, 張金平.一種新型星載SAR寬帶雙極化微帶天線研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(2):354-364

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

Designing of a dual linearly polarized and dual circularly polarized microstrip antenna array

ZHAO Dong-he, JIANG Bo, NIU Chuan-feng, SUN Liang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

A dual linearly polarized and dual circularly polarized antenna array with muti-layers printed circuit board is proposed.Dual linearly polarizations are implemented by slots coupling and microstrip lines’ side feeding, while the outputs of dual linearly polarizations and dual circularly polarizations are implemented by using a switch and a 90°bridge, respectively. By optimizing the parameters which affect antenna’s performances, the antenna array is fabricated, with measured bandwidth of over 15% and antenna gain of over 17dB.The antenna unit manifests simply structure and low profile, which is an admirable candidate for the sub-array of large microstrip antenna arrays.

Microstrip antenna；Muti-layers printed circuit board；Dual linearly polarized and dual circularly polarized；Low profile

2017-01-24

趙東賀(1984-)，男，河北滄州人，工程師，主要研究方向?yàn)槲炀€研究，陣列天線設(shè)計(jì)等.

1001-9383(2017)01-0025-06

TN821

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