基于金屬環(huán)與縫隙環(huán)的雙極化天線設計

李文強，付培忠，董玉僅

（1.魯東大學 后勤處，煙臺 264001；2.煙臺節(jié)能監(jiān)察支隊，煙臺 264000；3.山東隆華文化發(fā)展有限公司，煙臺 264000）

雙極化天線可用于接收不同極化的電磁波，用來估計入射電磁波的極化與DOA等信息。因此雙極化天線廣泛地應用于雷達系統(tǒng)對目標進行檢測、定位和跟蹤，其中電磁波的極化信息還可用于目標識別。在雷達系統(tǒng)中大型相控陣天線系統(tǒng)需要幾十個甚至幾百個雙極化天線單元，因此會嚴格控制每個天線元件的成本以及結構復雜度。然而，簡單的天線結構及緊湊的饋電網(wǎng)絡與低成本通常不能同時實現(xiàn)[1-2]。因此，結構簡單和低成本的雙極化天線在大型相控陣天線中更具競爭力。

偶極子天線是實現(xiàn)雙極化天線的一種常用線性極化天線。與線形偶極天線相比，方形環(huán)偶極天線有更寬的阻抗帶寬[3]。與小環(huán)形天線相比，大環(huán)形天線具有較好的輻射電阻[4]。環(huán)形天線作為磁偶極子，可以實現(xiàn)水平極化和全向輻射，被廣泛用做基站天線[5]。利用交錯耦合線可使電流在圓環(huán)上保持均勻同向，進而產(chǎn)生全向輻射圖，沒有交錯耦合線的電流在圓環(huán)上不均勻且有相移，電流在圓環(huán)的頂邊和底邊方向相同，所以最大輻射方向為圓環(huán)的法線方向。對于雷達系統(tǒng)中的相控陣天線，每個天線單元通常需要在天線法向面輻射。因此，在金屬環(huán)路兩側提供同相電流的大型金屬環(huán)形天線可以滿足相控陣天線要求。所以，偶極子金屬環(huán)形天線或單極子金屬環(huán)形天線可作為實現(xiàn)雙極化天線中其中一個極化方向的天線[6]。

金屬環(huán)形天線是在雙極化天線中實現(xiàn)一個極化方向的良好選擇，所以與金屬環(huán)形天線互補的環(huán)形縫隙天線也可以用于實現(xiàn)另一個極化方向。此外環(huán)形縫隙天線被廣泛應用于線極化天線[7]、圓極化天線[8]、甚至極化可重構天線[9]。通過控制環(huán)形縫隙天線的饋電網(wǎng)絡可以產(chǎn)生不同的極化，饋線變化或縫隙變化可以改變環(huán)形環(huán)縫隙天線的極化和工作頻率[10]，本文中將環(huán)形縫隙作為磁流輻射器來實現(xiàn)雙極化天線。

本文提出了基于金屬環(huán)形天線和縫隙環(huán)形天線的雙極化天線，其中金屬環(huán)形天線由同軸探針饋電，縫隙環(huán)形天線由微帶線激勵。具有互補結構的金屬環(huán)天線與縫隙環(huán)天線可產(chǎn)生相似天線輻射圖，與采用不同天線形式來實現(xiàn)雙極化天線的結構相比，采用互補結構具有更好的輻射性能。天線通過利用位于天線下方的金屬反射器獲得單向輻射圖。金屬環(huán)與縫隙環(huán)天線結構簡單且饋電網(wǎng)絡簡潔，降低了制造復雜性和天線成本，因此該雙極化天線適合作為大型相位陣天線的天線陣元。

1 天線結構和設計

1.1 天線結構

本文所提出的雙極化天線結構如圖1所示，天線共有3層，其中在頂層蝕刻出環(huán)形槽，在中間層印刷金屬環(huán)，底層為金屬板反射器以實現(xiàn)天線單向輻射。頂層和中間層中使用介質板為RT5880，其中介電常數(shù)為2.2，厚度為1.00 mm。位于最底層金屬板四角處有4個短接針，探針將頂層地板和金屬反射器相連。頂層的環(huán)形縫隙由微帶線饋電，中間層的金屬環(huán)由同軸探針激勵。縫隙環(huán)可以被認為是磁流輻射器，金屬環(huán)可以被認為是電流輻射器。2個輻射器均是線極化天線，并且通過從正交端口激勵從而具有正交極化形式。因此，通過2個線性極化的環(huán)縫隙天線和金屬環(huán)天線一起構成了雙極化天線。

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Antenna configuration with detached antenna structure

詳細的天線結構和尺寸如圖2所示。在圖2（a）中，縫隙環(huán)和金屬環(huán)之間的距離為h1=6 mm，金屬環(huán)和金屬反射器之間的距離為h2=8.00 mm。在頂層和中間層的正方形介質板具有相同的長度l=28.00 mm，金屬反射器長度為lr=45.00 mm。兩個線極化天線都通過同軸探針激勵，不同之處在于金屬環(huán)直接連接到同軸探針，而縫隙環(huán)由連接到同軸探針的微帶線激勵。如圖2（c）所示，半徑為 Rl=9.00 mm和寬度為wl=0.70 mm的金屬環(huán)是開路（間隙寬度為wc=1.00 mm），用來擴展天線阻抗帶寬，金屬環(huán)天線作為單極天線工作，并且利用位于天線平面下方的金屬反射器來獲得單向輻射方向圖。雙極化天線的另外一個極化采用金屬環(huán)形天線的互補環(huán)形隙縫天線來實現(xiàn)，半徑為Rs=6.60 mm，寬度為ws=2.50 mm，縫隙通過長度為lm=10.00 mm，寬度為1 mm的微帶線饋電。頂層地板通過4個具有半徑Rc=1.25 mm的短路針短接到底層金屬反射器。同樣，隙縫環(huán)天線也通過金屬反射器獲得單向輻射方向圖。

圖2 天線的詳細結構和參數(shù)圖Fig.2 Antenna detailed structure and parameters

1.2 天線參數(shù)分析

在本節(jié)中使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio來研究所提出天線的關鍵參數(shù)。該天線中利用4個短路探針來改善隙縫環(huán)天線的阻抗匹配和帶寬。在圖3中顯示了3種天線支撐柱形式，其中在圖3（a）中為短路探針，即地板與金屬反射器短路相連，在圖3（b）中沒有支撐柱，在圖3（c）中使用了FR4（介電常數(shù)2.2）作為支撐柱。

圖3 不同天線結構圖Fig.3 Antenna models

所提出的天線在這3種情況下的反射系數(shù)和隔離度如圖4所示。從圖4中可以看出，短路探針可以擴展端口2的阻抗帶寬，并明顯改善低頻下的天線性能。同時，它們還將端口1的工作頻率降低到到較低頻帶。且端口1和端口2之間的隔離受短路探針影響較小。

圖4 S參數(shù)的仿真結果Fig.4 Simulation resluts of S parameters

除了使用短路探針這種方法以外，切斷金屬環(huán)也可以改善天線的阻抗帶寬。當金屬環(huán)形天線處于切斷或未切斷狀態(tài)時，所提出的天線的反射系數(shù)和隔離度如圖5所示。

圖5 S參數(shù)的仿真結果Fig.5 Simulation resluts of S parameters

注意到在圖5中，切割金屬環(huán)可明顯改善端口2的反射系數(shù)，同時幾乎不影響端口1的反射系數(shù)。借助于分析金屬環(huán)路上的電流可以解釋這一現(xiàn)象。在5 GHz的金屬環(huán)路上的電流分布如圖6所示。從圖中可以看出，在饋電點相對的金屬環(huán)上幾乎沒有電流。因此，切斷金屬環(huán)對端口1的反射系數(shù)幾乎沒有影響。

圖6 在頻率為5 GHz的金屬環(huán)路上的電流仿真結果Fig.6 Simulation resluts of electric current on meatllic loop at 5 GHz

2 仿真結果

利用天線參數(shù)優(yōu)化結果，得到的雙極化天線 S參數(shù)仿真結果如圖7所示。金屬環(huán)天線（端口1）的反射系數(shù)從4.87 GHz～5.10 GHz均低于-10 dB，所以金屬環(huán)天線的阻抗帶寬為4.61%。然而，隙縫環(huán)天線顯然具有從4.47 GHz～5.40 GHz的18.84%阻抗帶寬。兩個端口之間的隔離在整個工作頻帶中高于20 dB，并且可以通過修改短路探針或修改環(huán)形縫隙兩端口隔離度。

圖7 所提出雙極化天線的仿真結果Fig.7 Simulation resluts of proposed dual polarized antenna

金屬環(huán)天線在4.90 GHz，5.00 GHz和5.10 GHz的天線增益分別為 6.16 dBi，6.10 dBi和 6.09 dBi。上述頻率處的縫隙環(huán)天線的增益分別為7.01 dBi，7.30 dBi和7.52 dBi。金屬環(huán)和縫隙環(huán)天線在5 GHz的輻射方向圖如圖8所示。在xoz平面和yoz平面中，金屬環(huán)5 GHz的3 dB波束寬度為83.7°和56.5°，縫隙環(huán)的3 dB波束寬度為57.5°和76.2°。所提出天線的方向圖前后比（F/B）較低，可以進一步通過增加反射腔來改進。

圖8 天線輻射方向圖仿真結果Fig.8 Simulation resluts of antenna radiation patterns

3 結語

本文提出一種互補金屬環(huán)和縫隙環(huán)低成本雙極化天線，并討論了影響天線性能的關鍵參數(shù)。金屬環(huán)與縫隙環(huán)分別為電流輻射器與磁流輻射器，為互補結構。通過增加短路探針明顯改善了縫隙環(huán)天線的阻抗帶寬且不影響金屬環(huán)天線的阻抗性能。所研究的天線工作在4.87 GHz～5.10 GHz的頻率范圍，可應用于雙極化相陣天線系統(tǒng)。