C波段寬帶雙極化微帶貼片天線設(shè)計(jì)

金秀梅，葉順濤，李運(yùn)志，趙繼明，吳志鋒

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088 )

0 引言

微帶天線與微波天線相比，具有剖面低、體積小、重量輕和易與饋線網(wǎng)絡(luò)一體化集成設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信領(lǐng)域[1-3]。

對(duì)于雙極化微帶貼片天線的研究，主要有探針饋電雙層微帶貼片天線[4-6]、微帶線共面饋電貼片天線[7]以及縫隙耦合微帶天線[8]。探針饋電由于探針的工程實(shí)現(xiàn)局限性，不利于陣列天線的加工實(shí)現(xiàn)；微帶線共面饋電是一種最簡(jiǎn)單的饋電方式，由于輻射貼片和饋線處于同一層，同時(shí)由于色散和寄生輻射的影響，會(huì)導(dǎo)致天線交叉極化水平一般，故多用于單極化天線或與其他饋電方式混合應(yīng)用于雙極化天線設(shè)計(jì)中；縫隙耦合微帶天線由于饋線和輻射貼片不在同一層，與共面饋電方式相比天線帶寬相對(duì)較寬，設(shè)計(jì)自由度和靈活度較好，輻射貼片和饋線的板材可以選用不同規(guī)格，設(shè)計(jì)獨(dú)立性較好[9-11]。文獻(xiàn)[12-16]均對(duì)不同形式的微帶天線結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，因此為了展寬帶寬和獲得好的交叉極化，將雙層微帶貼片和縫隙耦合技術(shù)相結(jié)合，給出一種適合用于雙極化微帶陣列天線的天線設(shè)計(jì)。

本文提出一種寬帶雙極化微帶貼片天線，為展寬帶寬，天線采用雙層矩形微帶貼片形式，為了使2種極化具有較好的一致性，在地板上開(kāi)一對(duì)相互垂直的H型耦合縫隙作為口徑耦合饋電，饋電微帶線均采用T字型耦合結(jié)構(gòu)。對(duì)雙極化輻射單元和二元陣進(jìn)行了分析，工作于3.4～4.2 GHz，具有良好的端口隔離度和高交叉極化抑制度。基于雙極化微帶天線單元，設(shè)計(jì)了二元陣，可以作為面子或線陣的基本單元。

1 天線結(jié)構(gòu)

方形貼片具有易于工程制造特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的正交極化特性，故本文雙極化微帶天線單元的輻射貼片采用矩形結(jié)構(gòu)，為展寬帶寬采用雙層貼片結(jié)構(gòu)，和H型耦合縫隙饋電，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of antenna unit structure

天線從上到下分為5層結(jié)構(gòu)。第1層為介質(zhì)板1，其正面不覆銅，寄生貼片刻蝕于底面，同時(shí)充當(dāng)天線罩的作用；第2層為介電常數(shù)近似為1的泡沫，起到支撐介質(zhì)板1的作用，由于泡沫的介電常數(shù)較低，相當(dāng)于降低了介質(zhì)板1的等效介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)寬帶諧振；第3層介質(zhì)板2的正面刻蝕矩形貼片，背面刻蝕一對(duì)相互垂直的H型縫隙；第4層為介質(zhì)板3，其背面刻蝕一對(duì)相互正交的T字型饋線；第5層為金屬屏蔽腔，將上述饋線包裹在內(nèi)部，同時(shí)充當(dāng)天線單元的接地板，減小背向輻射；其中介質(zhì)板2和介質(zhì)板3通過(guò)半固化片粘合。

2 天線單元分析

天線單元俯視圖如圖2所示。三層介質(zhì)板選用羅杰斯RT6002介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.94，介質(zhì)板3板基片厚度為0.762 mm，其他介質(zhì)板基片厚度為1 mm，覆銅厚度為0.018 mm。

為了得到較寬的帶寬，同時(shí)保證2個(gè)極化具有較好的一致性，2種極化采用相同的饋電方式，均采用H型耦合縫隙饋電，饋線也采用相同T型支接進(jìn)行阻抗匹配。H型耦合縫隙開(kāi)在介質(zhì)板2的底面，將輻射貼片和饋線分隔在不同的層，避免了饋線對(duì)輻射貼片的干擾。

運(yùn)用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行優(yōu)化仿真，貼片邊長(zhǎng)約為工作波長(zhǎng)的一半，經(jīng)對(duì)天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取寄生貼片邊長(zhǎng)為26 mm，矩形貼片邊長(zhǎng)17 mm，為方便陣列布局，饋線盡量選用高阻抗，本文饋線采用100 Ω(線寬W=0.5 mm)。

圖2 天線單元俯視圖Fig.2 Top view of antenna unit

對(duì)于正交饋電的雙極化微帶貼片天線，垂直極化主要工作于TM01模式，水平極化工作于TM10模式，除此之外，還會(huì)激勵(lì)起高次模。對(duì)于要求較高交叉極化的天線，在單元設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)高次模進(jìn)行抑制，組陣情形需要進(jìn)行相應(yīng)的抑制交叉極化手段，以便獲得好的交叉極化性能。

天線單元水平極化和垂直極化的反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果表明，2個(gè)端口在C波段3.4～4.2 GHz頻率范圍內(nèi)駐波小于2，相對(duì)帶寬達(dá)21%。

圖3 天線單元V/H端口駐波Fig.3 Antenna unit V/H port standing wave

天線2種極化端口隔離優(yōu)于43 dB，如圖4所示。

3 天線陣列設(shè)計(jì)

方形微帶貼片作為天線輻射貼片要產(chǎn)生高次模，雙極化微帶天線陣在組陣時(shí)，若是各單元采用相同激勵(lì)，由于高次模的存在，2種極化端口之間會(huì)有干擾，從而降低了端口之間的極化隔離度， 導(dǎo)致交叉極化電平變差。為了取得較高的極化隔離度，可以對(duì)作為陣列天線基本單元的二元陣單元采用等幅反相饋電[8]。不同饋電位置的二元陣如圖5所示。

圖5 二元陣兩端口饋電Fig.5 Two-port feed of binary array

圖5中每個(gè)矩形微帶貼片包含2個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，“H”代表激勵(lì)為水平極化的端口，“V”代表激勵(lì)為垂直極化的端口，符號(hào)“+”表示微帶天線單元對(duì)應(yīng)的端口等幅同相饋電， 符號(hào)“-” 表示微帶天線單元對(duì)應(yīng)的端口等幅反相饋電。

基于交叉極化抑制方法，對(duì)上述天線單元進(jìn)行二元陣設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 二元陣天線仿真模型Fig.6 Simulation model of binary array antenna

由于二元陣是設(shè)計(jì)線陣或面陣的基礎(chǔ)單元，為保證天線方向圖不出現(xiàn)柵瓣，單元間距選取上應(yīng)不大于一個(gè)最小工作波長(zhǎng)。

為了抑制交叉極化，二元陣采用旋轉(zhuǎn)鏡像的方式，對(duì)單元采用等幅反相饋電。二元陣采用如圖7所示的T型功分器合成，對(duì)于T型功分器，總口的阻抗為Z0，則2個(gè)分口連接處的阻抗為2×Z0，通過(guò)一段1/4波長(zhǎng)阻抗為1.414×Z0的阻抗變換器，將阻抗為2×Z0的微帶線變換為阻抗為Z0，等功分器的各個(gè)端口阻抗均為Z0，方便與天線單元直接進(jìn)行連接。相鄰單元鏡像排布、反相饋電，合成2個(gè)微帶天線的微帶功分器引入180°相位差。

圖7 功分器模型Fig.7 Power divider model

綜上所述，運(yùn)用三維電磁仿真軟件對(duì)二元陣進(jìn)行了電磁仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖8和圖9給出了二元陣水平極化和垂直極化在中心工作頻率的方向圖。圖8(a)為二元陣水平極化E面方向圖，圖8 (b)為二元陣水平極化H面方向圖；圖9(a)為二元陣垂直極化E面方向圖，圖9(b)為二元陣垂直極化H面方向圖。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的二元陣在中心工作頻率，其水平極化E面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內(nèi)≥52 dB，水平極化H面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內(nèi)≥35 dB；其垂直極化E面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內(nèi)≥46 dB，垂直極化H面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內(nèi)≥36 dB。即該二元陣的水平極化和垂直極化的交叉極化隔離度在±60°范圍內(nèi)具有良好的交叉極化特性。

圖8 二元陣水平極化方向圖Fig.8 Horizontal polarization pattern of binary array

圖9 二元陣垂直極化方向圖Fig.9 Vertical polarization pattern of binary array

二元陣駐波如圖10所示。

圖10 二元陣駐波Fig.10 Standing wave of binary array

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用口徑耦合基本理論，結(jié)合H型耦合縫隙饋電，同時(shí)對(duì)饋線采用T型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，結(jié)合多層微帶板展寬天線帶寬的技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一款C波段微帶天線單元，并將該微帶天線單元進(jìn)行二元陣設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的一種雙極化微帶貼片天線，為展寬帶寬，天線采用雙層矩形微帶貼片形式，在地板上開(kāi)一對(duì)相互垂直的H型耦合縫隙作為口徑耦合饋電，饋電微帶線采用T字型耦合結(jié)構(gòu)，對(duì)雙極化輻射單元和二元陣進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，該天線工作于3.4～4.2 GHz，在很寬的波束寬度內(nèi)具有良好的端口隔離度和高交叉極化抑制度。本文設(shè)計(jì)的天線對(duì)于同類型的天線設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。