雙極化高增益電磁偶極子天線的設(shè)計(jì)*

肖 陽，陳凱亞

（西南交通大學(xué)電磁所，四川 成都 610031）

0 引言

基于相控陣饋源的射電望遠(yuǎn)鏡正成為研究的熱點(diǎn)，為獲得更好的巡天性能，天線單元應(yīng)該具有高增益、方向圖等化以及可實(shí)現(xiàn)雙極化等特點(diǎn)[1]，電磁偶極子天線通過同時(shí)激勵(lì)電偶極子和磁偶極子，可以實(shí)現(xiàn)良好的方向圖等化[2-4]。文獻(xiàn)[5][6]采用垂直平面印刷結(jié)構(gòu)的電磁偶極子天線，可以更方便地用于組陣，但它們?cè)鲆娑驾^小，分別為4.3dB和6.5dB。

左手材料的應(yīng)用極大地提高了天線的增益[7]，與傳統(tǒng)的電磁偶極子天線相比，加載左手材料的電磁偶極子天線的增益得到了明顯提升[8][9]。文獻(xiàn)[10]中的垂直平面印刷電磁偶極天線加載有H 形左手材料。工作頻段內(nèi)天線增益達(dá)到7.4dB～9.7dB。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種加載“工”字形左手材料的寬帶高增益魚尾形電磁偶極天線，在頻帶范圍天線的增益為6.67dB～11.07dB，這兩款天線均獲得較高增益，仿真顯示其方向圖等化性能不夠理想，并且加載左手材料的排列方式為四單元T 形和十單元雙層形式，左手材料位于天線中心線上，不利于構(gòu)成雙極化天線。

本文基于“田”字形結(jié)構(gòu)的左手材料[12]，并將左手材料布局在天線中心線兩側(cè)，研究了四單元單層和八單元雙層的排列方式，并同其他排列方式下的天線性能進(jìn)行了比較，最后采用八單元雙層排列結(jié)構(gòu)，不僅能獲得良好的輻射性能，而且實(shí)現(xiàn)了雙極化設(shè)計(jì)。

1 “田”字形結(jié)構(gòu)的左手材料設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[12] 通過將多開口諧振環(huán)與交叉金屬條結(jié)合，提出了一種“田”字形左手材料，與多開口諧振環(huán)相比，其傳輸損耗明顯降低，左手材料的帶寬得到提高。本文設(shè)計(jì)了工作于L 波段的“田”字形左手材料，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，并采用文獻(xiàn)[13]中的方法，由S 參數(shù)矩陣求得左手材料的折射率、等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，仿真結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯?，在1.4GHz 附近，這些參數(shù)均為負(fù)值，具有左手特性。

圖1 左手材料的HFSS 模型

2 加載左手材料的單極化電磁偶極子天線設(shè)計(jì)

2.1 電磁偶極子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[10]的垂直平面印刷電磁偶極子采用扇形結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[11]采用的是魚尾形結(jié)構(gòu)，本文采用了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單且尺寸更小的領(lǐng)結(jié)形結(jié)構(gòu)，由印刷有電磁偶極子的介質(zhì)基板和方形金屬反射板組成。介質(zhì)基板使用Rogers RT/ duroid 5880（tm），介電常數(shù)為2.2，厚度為0.78mm，反射板大小為1λ×1λ。介質(zhì)基板的正面印有梯形微帶巴倫，環(huán)形磁偶極子和領(lǐng)結(jié)形電偶極子通過微帶線連接到微帶巴倫。采用同軸SMA 接頭進(jìn)行激勵(lì)。

圖2 左手材料的參數(shù)曲線

2.2 加載左手材料天線性能仿真

本節(jié)分別對(duì)加載四種不同排列方式左手材料的電磁偶極子天線以及不加載左手材料的天線單元進(jìn)行仿真分析，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，得到其輻射方向圖和增益變化曲線。

圖3 不同加載情況下的電磁偶極子天線

圖4 不同加載情況下的天線增益

圖5 S21 性能

圖4 表明加載左手材料對(duì)在1.1GHz-1.55GHz頻帶范圍內(nèi)的天線增益有明顯的提升，但在1.6GHz附近加載左手材料反而抑制了天線增益，其原因如圖5 所示，該左手材料的傳輸特性對(duì)天線的增益有直接的影響，在諧振頻率點(diǎn)1.6GHz 處，S21很小，能量很難通過加載的左手材料進(jìn)行傳輸。

圖6 表明，四單元單層和八單元雙層在中心頻率處旁瓣不僅優(yōu)于三單元單層和四單元倒T 形結(jié)構(gòu)天線，而且其E 面、H 面方向圖具有更好的等化性，且八單元雙層排列可以獲得更窄的波束寬度和更高的前后比，并能很容易地進(jìn)行雙極化設(shè)計(jì)。如繼續(xù)采用三層排列，就會(huì)造成方向圖副瓣明顯增大，影響天線輻射性能，且增益提升較小。

圖6 1.4GHz 處加載不同排列方式的左手材料天線方向圖之間的比較

3 加載左手材料的雙極化電磁偶極子天線設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電磁偶極子天線的雙極化設(shè)計(jì)，需要對(duì)微帶巴倫進(jìn)行開槽處理，即在天線a 和天線b 的介質(zhì)基板上開一對(duì)互補(bǔ)的縫隙，以使這兩個(gè)天線能互相穿插在一起。此外，為了避免天線a 和天線b的饋線發(fā)生接觸，還需要對(duì)天線a 的Γ 形饋線的高度進(jìn)行調(diào)整。如圖7 所示，調(diào)整后的兩組Γ 形饋線能夠進(jìn)行正交放置，且介質(zhì)板的開槽也不會(huì)影響兩組Γ 形饋線的完整性。

圖7 雙極化天線結(jié)構(gòu)

從圖8 可以看出，該雙極化天線在1.25GHz-1.55GHz頻帶范圍內(nèi)極化隔離度S12基本優(yōu)于-30dB，滿足雙極化天線作為陣列饋源的隔離度要求。其交叉極化特性如圖9 所示，在諧振頻率1.4GHz 處，天線a 和天線b 的交叉極化增益小于-18dB，交叉極化比大于28dB，表明天線a 和天線b 兩個(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性較小，天線的極化效果好。

圖8 雙極化電磁偶極子天線散射曲線

圖9 天線的輻射方向圖

4 結(jié)語

本文針對(duì)基于相控陣饋源的射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)天線增益、方向圖以及雙極化可實(shí)現(xiàn)的要求，研究了加載“田”字形左手材料的天線的性能，設(shè)計(jì)了加載8 個(gè)左手材料單元的電磁偶極子天線，增益達(dá)到10.3dB，前后比達(dá)到23.7dB，E 面和H 面方向圖具有良好等化性。通過對(duì)兩副電磁偶極子天線進(jìn)行開槽處理，以垂直交叉的方式組成雙極化電磁偶極子天線，具備良好的隔離度和交叉極化性能。該天線可用于構(gòu)成相控陣饋源陣列，并通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升射電望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)性能。