尹建勇，汪云超，楊 鵬*

(1. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院 北京 海淀區(qū) 100086；2. 電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 成都 611731)

隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶雙圓極化陣列天線具有了很強(qiáng)的抗干擾能力和抗衰減能力，在衛(wèi)星通信技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。天線性能的優(yōu)劣直接決定了通訊系統(tǒng)性能的好壞，因而國內(nèi)外學(xué)者對(duì)天線開展了一系列的研究。文獻(xiàn)[7]采用雙層圓形輻射貼片開不同的槽來實(shí)現(xiàn)雙圓極化，經(jīng)組陣后天線具有高輻射效率(高于65%)和低旁瓣(小于–20 dB)的特性。文獻(xiàn)[8]研究了一種旋轉(zhuǎn)布陣式的雙頻雙圓極化2×2 陣列，獲得了隔離度大于26 dB 以及帶內(nèi)軸比低于1.2 dB 的特性。

文獻(xiàn)[9]采用上下分層的正交耦合饋電實(shí)現(xiàn)雙極化特性。兩個(gè)極化端口阻抗帶寬為52%，極化隔離度在39 dB 以上。文獻(xiàn)[10]介紹了一種低剖面寬帶廣角掃描圓極化陣列，結(jié)果表明在8～9.1 GHz范圍內(nèi)，其掃描下降3 dB 以內(nèi)的掃描角超過±60°。文獻(xiàn)[11]采用4 個(gè)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的L 形貼片構(gòu)成寬帶圓極化天線，10 dB 阻抗帶寬達(dá)到了92.8%，3 dB軸比帶寬為67.5%，峰值增益為12.4 dBi。

本文采用雙層圓形輻射貼片，利用環(huán)形電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化饋電，貼片四周采用金屬柱與環(huán)形金屬帶作為寄生單元，設(shè)計(jì)出一款工作在1.8～2.36 GHz的雙圓極化寬帶層疊微帶天線。天線單元工作頻帶內(nèi)的波束寬度優(yōu)于110°，峰值增益5.9 dBi，交叉極化抑制度優(yōu)于20 dB，前后比優(yōu)于28 dB。采用5 個(gè)單元組成了非規(guī)則面陣，陣列合成增益實(shí)測(cè)大于11.5 dBi，±55°掃描增益高于9 dBi。

1 雙圓極化寬帶天線的設(shè)計(jì)

1.1 天線的結(jié)構(gòu)

圖1 所示為天線單元，其尺寸為58 mm×58 mm×8 mm。天線一共有4 層介質(zhì)基板，最下層為介電常數(shù)2.2，厚度1 mm 的帶狀線結(jié)構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)層。其余為介電常數(shù)4.3 的輻射貼片層，厚度由上往下分別為0.5、4.5、2 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)圖

天線尺寸的具體數(shù)值見表1，而兩個(gè)饋電探針的直徑為1 mm，它們?cè)陔姌蛏舷嗑嗨姆种徊ㄩL(zhǎng)，天線的兩個(gè)饋電點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圓極化的兩個(gè)旋向。

表1 天線的詳細(xì)尺寸mm

1.2 天線的工作機(jī)理

天線圖如圖2 所示，饋電點(diǎn)A、B 分別表示左旋和右旋圓極化端口。位于天線正中心的短路金屬柱可抑制一些干擾模式，而輻射貼片周圍的金屬柱相當(dāng)于頂部加載電容的單極子天線，它與天線頂層的環(huán)形金屬帶共同作用，起到了一定的展寬波束的效果。天線有兩層輻射貼片，饋電信號(hào)通過兩個(gè)相距四分之一波長(zhǎng)的探針對(duì)下層輻射貼片進(jìn)行饋電，位于上層的輻射貼片通過電磁耦合作用獲得激勵(lì)。

圖2 天線的正面圖與側(cè)面圖

為進(jìn)一步探究天線特性，采用全波仿真軟件進(jìn)行仿真分析。圖3 為右旋端口饋電時(shí)的電流分布(2.3 GHz)，縱觀天線在不同相位時(shí)的電流分布，其較好地實(shí)現(xiàn)了圓極化特性，其中環(huán)形金屬帶上有較強(qiáng)的電流，說明環(huán)形金屬帶參與了天線輻射。

圖3 天線的電流分布圖(右旋2.3 GHz)

2 單元特性

2.1 天線單元的S11 參數(shù)與軸比

圖4、圖5 分別為天線的S 參數(shù)和軸比圖?？梢钥闯?，天線的10 dB 阻抗帶寬為26.9%(1.8～2.36 GHz)，實(shí)測(cè)結(jié)果略偏低頻，3 dB 法向軸比帶寬為19.3%(1.92～2.33 GHz)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高。兩個(gè)端口(極化)的S 參數(shù)結(jié)果比較接近，天線阻抗帶寬要優(yōu)于軸比帶寬。

圖4 天線的S 參數(shù)

圖5 天線的軸比(法向)

2.2 天線單元的輻射特性

圖6 為天線的方向圖。由圖6 可以看出，天線左旋圓極化方向圖的E 面和H 面一致性較好，右旋結(jié)果類似。天線的半功率波束寬度大于110°(?55°～55°)，天線的交叉極化抑制度優(yōu)于20 dB。

圖6 天線的方向圖(左旋)

3 陣列特性

3.1 天線陣列的設(shè)計(jì)與分析

為了避免出現(xiàn)柵瓣，單元間距應(yīng)不大于半波長(zhǎng)。將5 個(gè)單元按相同的距離排成如圖7 所示的面陣，其中距離D=65 mm，陣列的總尺寸是180 mm×180 mm×8 mm。

圖7 陣列天線布局圖

3.2 天線陣列的加工、測(cè)試與結(jié)果分析

圖8 為天線實(shí)物和暗室測(cè)試情況，五陣元天線陣安裝在模擬實(shí)際應(yīng)用的天線載體上。天線及其載體在仿真和加工過程中充分考慮了加工可實(shí)現(xiàn)性和一致性，有效地提高了仿真與實(shí)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖8 天線陣列在暗室中的測(cè)試圖

天線陣列的方向圖測(cè)試結(jié)果如圖9 和圖10 所示，方向圖法向增益和副瓣值如表2 所示，方向圖大角度掃描結(jié)果如表3 所示，實(shí)際應(yīng)用中大角度掃描時(shí)對(duì)高副瓣指標(biāo)不做要求。由結(jié)果看出，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較高。

表2 陣列天線的法向增益及副瓣電平

圖9 左旋2.1 GHz 處天線陣列方向圖

表3 陣列天線的掃描增益

圖10 右旋2.3 GHz 處天線陣列方向圖

4 結(jié) 束 語

本文設(shè)計(jì)了一款雙饋雙圓極化寬帶層疊微帶天線，并對(duì)該天線的工作機(jī)理進(jìn)行了分析，通過仿真分析和加工實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了該天線具有寬帶寬波束、交叉極化抑制度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步發(fā)揮天線的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了非規(guī)則五單元陣列，測(cè)試結(jié)果表明該陣列保持了良好的輻射特性。