一種寬帶小型化雙極化印刷振子天線的設(shè)計(jì)

張 青，夏 翔，趙 旭，徐遠(yuǎn)超，金志峰

（中國航天科工集團(tuán)8511 研究所， 江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著通信和雷達(dá)的快速發(fā)展，天線對尺寸和帶寬都有較為嚴(yán)格的要求，印刷偶極子天線具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、便于排陣等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)和通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是用作接收天線。而在蜂窩電話、全球定位系統(tǒng)（GPS）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、衛(wèi)星通信、個人通信、近場測量系統(tǒng)等領(lǐng)域，都需要輕質(zhì)量、低輪廓、制造簡單的寬頻帶雙極化的天線。

雙極化天線能發(fā)射或接收2 個正交極化的電磁波，因此在同一帶寬內(nèi)，天線可以發(fā)射2 種信號，這有利于頻率復(fù)用或者收發(fā)同時工作。除了要保證天線的頻帶寬度、增益、波束寬度以及前后比等指標(biāo)外，需要特別考慮的是每種極化的交叉極化電平以及天線尺寸［1-3］。

由于天線本身的多性能和工程應(yīng)用背景，盡管已有大量對寬帶天線和雙極化天線的研究，但同時滿足通信天線電路參數(shù)和輻射參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的寬帶雙極化天線卻很少。

1 天線設(shè)計(jì)

本文介紹了一種工作于X 頻段的雙極化印刷振子天線，能在最大限度范圍內(nèi)達(dá)到多項(xiàng)指標(biāo)的均衡性，同時降低了天線的復(fù)雜度、損耗和成本，實(shí)現(xiàn)天線的小型化及良好的輻射性能。本天線結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，由印刷振子輻射器、饋電巴倫及反射腔體組成。天線通過介質(zhì)印刷的方式實(shí)現(xiàn)小型化，天線尺寸為?20 mm×h10 mm。

圖1 印刷振子天線結(jié)構(gòu)圖

天線輻射器是由2 對印刷振子臂組成，分別為水平極化輻射器和垂直極化輻射器，每對振子之間通過多層板饋線實(shí)現(xiàn)互連，水平極化輻射器饋線和垂直極化輻射器饋線分層交錯。

天線的饋電巴倫連接器實(shí)現(xiàn)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換以及SMA-K 輸出口一體化設(shè)計(jì)。饋電巴倫連接器從反射腔底面中心向上穿出，安裝在反射腔底面，頂部探針穿過輻射器中心2 個金屬化通孔，分別與2 對印刷振子臂焊接。印刷振子為雙向輻射結(jié)構(gòu)，通過在天線底部加金屬反射板實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射。

2 天線仿真

天線采用某電磁場分析軟件進(jìn)行仿真分析。天線在軟件中的仿真模型如圖2 所示。天線在8～12 GHz 的頻段內(nèi)進(jìn)行仿真，針對計(jì)算的結(jié)果分析，調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)尺寸以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到輸出滿意的結(jié)果，在調(diào)整天線模型尺寸時，要考慮實(shí)際工程的應(yīng)用以及加工精度的要求。

圖2 印刷振子天線仿真模型

天線仿真駐波圖如圖3 所示。

圖3 天線駐波

天線圓極化增益方向圖如圖4—13 所示。

圖4 8 GHz 方位面增益方向圖

圖5 9 GHz 方位面增益方向圖

圖6 10 GHz 方位面增益方向圖

圖7 11 GHz 方位面增益方向圖

圖8 12 GHz 方位面增益方向圖

圖9 8 GHz 俯仰面增益方向圖

圖10 9 GHz 俯仰面增益方向圖

圖11 10 GHz 俯仰面增益方向圖

圖12 11 GHz 俯仰面增益方向圖

圖13 12 GHz 俯仰面增益方向圖

天線增益仿真值如表1 所示。

表1 天線增益仿真值

可以看出，天線端口駐波在8～12 GHz 頻帶內(nèi)小于2。天線方位面±70°增益大于-0.37 dB，俯仰面增益±70°增益大于-0.9 dB，軸向增益大于6.1。

3 天線測試

根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)果制作了實(shí)物模型，在暗室進(jìn)行增益方向圖測試，天線駐波如圖14 所示，考慮到天線增益方向圖在方位面和俯仰面基本一致，測試結(jié)果僅給出方位面增益方向圖，測試結(jié)果如圖15 —19所示。

圖14 天線單元駐波圖

圖15 f=8 GHz 方向

圖16 f =9 GHz 方向圖

圖17 f =10 GHz 方向圖

圖18 f =11 GHz 方向圖

圖19 f =12 GHz 方向圖

天線增益測試值如表2 所示。

表2 天線實(shí)測增益統(tǒng)計(jì)表

實(shí)測結(jié)果表明，雙極化印刷振子天線軸向?qū)崪y增 益大于5.16 dB，±70°增益大于-1.2 dB。天線結(jié)構(gòu)簡單緊湊，方向性、圓極化性能優(yōu)良，帶寬完全能滿足要求，天線的設(shè)計(jì)滿足了實(shí)際工程的需要。

4 結(jié)束語

本文在普通雙極化印刷振子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研制了一種改進(jìn)的寬帶寬波束雙極化天線。該天線通過多層印制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極化饋電，在寬角域內(nèi)增益大于-1.2 dB，軸向增益大于5.16 dB，實(shí)現(xiàn)了天線輕量及小型化，可為寬帶寬波束雙極化天線的進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)提供一種新的實(shí)現(xiàn)方式。