一種基于電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)的雙極化微帶天線設(shè)計(jì)

李希媛，郝曉云，蔣海濤，賀曉萌，楊沛卓，宋立眾

（1.中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對電磁信號的利用越來越深入和廣泛。電磁波的極化信息已獲得大量關(guān)注和研究，雙極化天線是發(fā)射和感知電磁波極化信息的無線電裝置，其性能是極化敏感電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。

為了更精確地感知電磁信號的極化信息，通常要求雙極化天線具有較低的交叉極化電平和良好的極化端口隔離度。對于雙極化天線陣列，例如，雙極化相控陣天線，通常要求天線單元具有寬波束和近似對稱的方向圖[3-7]。雙極化天線類型眾多，例如：雙極化反射面天線、雙極化振子天線、雙極化縫隙天線等，而雙極化微帶天線由于其低成本、設(shè)計(jì)靈活、性能優(yōu)良而被大量研究和應(yīng)用[8-12]。雙極化微帶天線的饋電方式有同軸線底饋、微帶線側(cè)饋和電磁耦合等多種方式；在同頻雙極化工作模式下，天線對極化端口的隔離度也極為關(guān)注，饋電方式是限制極化端口隔離度的重要因素之一。通常，雙極化貼片為方形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)極化端口采用相同的饋電方式，以保證端口的對稱性。在各種微帶天線的饋電中，電磁耦合饋電具有較寬的工作頻帶，因而多用在寬帶微帶天線設(shè)計(jì)中[13-16]。兩個(gè)極化端口如果采用同樣的電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，往往容易發(fā)生較大的模式耦合，造成隔離度的下降。

因此，本文提出了一種非對稱結(jié)構(gòu)的雙極化電磁耦合饋電方式，采用多層介質(zhì)極板和電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端口的隔離度的改善，同時(shí)保證雙極化天線的輻射性能，電磁仿真結(jié)果表明所提出的天線方案具有可行性。

1 雙極化電磁耦合饋電微帶天線的結(jié)構(gòu)

本文提出的雙極化微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a）所示，可見，天線由三層介質(zhì)極板和一層金屬反射板構(gòu)成，所有介質(zhì)基板都選擇FR-4板材，從頂部到底部的三層介質(zhì)基板的厚度分別為h2，h0和h1，單位為毫米，兩個(gè)同軸線端口從金屬反射板的底部輸出，便于連接后面的設(shè)備，形成天線陣列。雙極化微帶天線介質(zhì)基板和金屬反射板的間距為中心工作波長的1 4左右。輻射貼片位于中間層介質(zhì)基板的上方，對于雙極化微帶天線，輻射貼片采用方形結(jié)構(gòu)，對于矩形貼片，其結(jié)構(gòu)尺寸一般可由下式得到：

圖1 雙極化微帶天線的結(jié)構(gòu)模型圖

式中：w為輻射貼片的物理寬度；f為中心頻率；c為光速；L為輻射貼片的物理長度；εe為有效介電常數(shù)，其大小為：

圖1b）為雙極化微帶天線的尺寸參數(shù)定義，為了更為清晰地展示饋電結(jié)構(gòu)，圖1c）給出了底層介質(zhì)基板的后視圖。微帶貼片的邊長為w_patch。此處，定義端口1為縫隙激勵(lì)的端口，電磁耦合縫隙由微帶線激勵(lì)，微帶線終端采用同軸線垂直互連的方式，將微帶線轉(zhuǎn)換成同軸線，從地板底部輸出；在饋電微帶線和激勵(lì)縫隙交叉的位置處，微帶線的寬度為n1，而連接同軸線內(nèi)導(dǎo)體處的微帶線寬度為n2，在這兩個(gè)不同寬度的微帶線之間引入直線漸變的微帶線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬帶的阻抗匹配；在饋電微帶線的另一端引入一個(gè)扇形枝節(jié)，改善阻抗匹配性能，扇形枝節(jié)的半徑為r_fan。激勵(lì)縫隙為一個(gè)矩形窄縫，縫隙中心與微帶貼片的中心相距pos_slot，縫隙的長度和寬度分別為L_slot和w_slot，采用槽線對窄縫隙進(jìn)行激勵(lì)，槽線再與饋電微帶線電磁耦合激勵(lì)，槽線的寬度為g1，在槽線的終端設(shè)置一個(gè)圓形的諧振腔調(diào)節(jié)阻抗，實(shí)現(xiàn)諧振，圓形諧振腔的直徑為D_SL。端口2為電磁耦合振子饋電，印刷振子位于輻射貼片的上方，二者之間的距離為最上面的介質(zhì)基板的厚度，即為h2，耦合振子的寬度為w1，其超過輻射貼片邊緣的長度為Lc，端口1的饋電電磁耦合振子的另一端也為微帶線的終端，該終端與饋電的同軸線內(nèi)導(dǎo)體連接，實(shí)現(xiàn)微帶線到同軸線的轉(zhuǎn)換，端口1的輸出也為與天線口面垂直的底部輸出的方式；在電磁耦合振子的耦合部分和終端部分之間也采用直線漸變線互連。

綜上可以看出，本天線的兩個(gè)極化端口雖然都采用了電磁耦合饋電方式，但是饋電結(jié)構(gòu)是不同的，饋電部分和輻射貼片位于不同的介質(zhì)層上，減少了饋電端口之間的電磁耦合，實(shí)現(xiàn)了良好的電磁隔離，是一種非對稱的雙極化微帶天線激勵(lì)方式，同時(shí)，由于兩個(gè)極化端口隔離度較高，因此，也為本文設(shè)計(jì)提供了有利條件。

2 雙極化電磁耦合饋電微帶天線的電磁仿真和優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)前面討論的雙極化電磁耦合饋電天線的原理，設(shè)計(jì)了一種工作于10 GHz的天線結(jié)構(gòu)，采用電磁仿真軟件對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，選擇的參數(shù)為：D_SL=1.5 mm，h0=h2=0.5 mm，h2=0.508 mm，Lc=0.5 mm，L_patch=5.8 mm，g1=0.3 mm，L_slot=4.5 mm，n1=0.3 mm，pos_slot=2.5 mm，s1=2 mm，w1=0.6 mm，w_slot=0.25 mm。

本文設(shè)計(jì)的雙極化電磁耦合饋電天線的電壓駐波比（VSWR）的仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，在9.85 GHz和10.15 GHz頻率范圍內(nèi)，天線的VSWR均小于2，兩個(gè)極化端口在中心頻點(diǎn)處的VSWR分別約為1.71和1.23，實(shí)現(xiàn)了工作頻率范圍的良好諧振。兩個(gè)極化端口的隔離度仿真結(jié)果如圖2c）所示，可見，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，端口隔離度大于26 dB。

圖2 雙極化電磁耦合饋電天線的VSWR和隔離度仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的雙極化電磁耦合饋電天線在中心工作頻點(diǎn)處的表面電流分布如圖3所示，兩個(gè)極化端口分別激勵(lì)時(shí)的表面電流分布分別如圖3a）和圖3b）所示，可以看出，兩個(gè)極化端口的電流分布是正交的，可激勵(lì)出正交的遠(yuǎn)區(qū)輻射場。兩個(gè)極化端口分別激勵(lì)時(shí)的電場能量分布如圖4a）和圖4b）所示，由兩個(gè)極化端口的電場能量集中區(qū)域可以看出，天線處于良好的諧振狀態(tài)。

圖3 雙極化電磁耦合饋電天線的表面電流分布

圖4 雙極化電磁耦合饋電天線的電場能量分布

本文設(shè)計(jì)的雙極化電磁耦合饋電天線在工作頻點(diǎn)處的輻射方向圖仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示，天線指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。可以看出，設(shè)計(jì)的雙極化天線具有近似對稱的輻射方向圖，主波束方向的交叉極化電平較低，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

圖5 端口1的輻射方向圖仿真結(jié)果

圖6 端口2的輻射方向圖仿真結(jié)果

表1 天線指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁耦合饋電微帶天線的性能影響分析

在本文的雙極化微帶天線的設(shè)計(jì)中，饋電結(jié)構(gòu)及參數(shù)對天線的阻抗和端口隔離起著重要作用。為此，采用仿真的方法，觀察參數(shù)D_SL，L_slot，w_slot，s1，r_fan對端口1的回波損耗和端口隔離度的影響，觀察參數(shù)Lc和w1對端口2的回波損耗和端口隔離度的影響，仿真結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 端口1的回波損耗和隔離度隨參數(shù)的變化規(guī)律

圖8 端口2的回波損耗和隔離度隨參數(shù)的變化規(guī)律

可以看出，在諧振點(diǎn)附近，對于端口1，隨著D_SL的增加，匹配效果變好，隔離度變差；隨著L_slot和w_slot的增加，匹配效果變好，隔離度變化不大；隨著s1的增加，諧振頻率向著低頻處略微移動，隔離度增加；隨著r_fan的增加，匹配效果變好，隔離度降低；對于端口2，隨著Lc的增加，諧振頻率隨之升高，隔離度變化不大；端口匹配和隔離度隨著w1的變化，沒有發(fā)生明顯的改變。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種疊層結(jié)構(gòu)的雙極化微帶天線。為了提高天線的極化端口隔離度和降低交叉極化電平，對于兩個(gè)極化端口采用不同類型的電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，饋電結(jié)構(gòu)分別位于微帶輻射貼片不同的介質(zhì)層上，在實(shí)現(xiàn)對輻射微帶貼片激勵(lì)互相正交的輻射模式的基礎(chǔ)上，有效提高兩個(gè)極化端口之間的隔離度，輻射模式耦合減小，輻射場的交叉電平下降。設(shè)計(jì)和仿真了一種工作于10 GHz的電磁耦合饋電雙極化微帶天線，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的雙極化天線的極化端口隔離度和交叉極電平得到改善，同時(shí)，天線的輻射方向圖具有近似對稱的形狀，有利于組成雙極化陣列，也可用于雙極化相控陣天線中。本文的研究成果可為工程應(yīng)用提供一條技術(shù)途徑。