一種空域寬波束變極化矩形微帶天線

摘 要：設計了一種空域變極化微帶天線，他是通過同時激勵起兩種工作模式一起工作來實現的，這兩種模式產生的電磁波在空間上方向圖互補，極化相互正交。計算結果表明，這種天線可以在工作頻帶范圍內滿足空域變極化的目的。這種天線設計制作方便簡單，變極化效果明顯，并且僅由掃描角就可以控制極化變化，為變極化天線陣的設計和空域變極化理論的應用提供了理論基礎和參考依據。

關鍵詞：空域變極化；微帶天線；掃描角；雙極化

中圖分類號：TN82文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)07-004-04

A Spacial Variable Polarization Microstrip Antenna

BAO Liang，LUO Jia，LI Yongzhen，WANG Xuesong

(National University of Defence Technology，Changsha，410073，China)

Abstract：This article designs a type of microstrip antenna with spacial variable polarization.Its realization is based on two modes with orthodoxy polarization and beam compensating.Theoretical analysis shows that this kind of antenna can satisfy the aim of the spacial variable polarization in the frequency bandwidth.This type of antenna has got advantages of convenient design，obvious effect of variable polarization and polarization changing with the scan-angle only，which provides theory and references of both variable polarization antenna design and spacial variable polarization theory.

Keywords：spacial variable polarization;microstrip antenna;scan angle;dual polarization

1 引 言

在現代通訊中，電磁波的極化信息越來越受到人們的重視。在雷達、電子對抗等領域，需要根據環境實時地變化而及時改變天線的極化狀態，以提高系統的可靠性和測量的準確性。極化態空域可變天線的設計和實現為這一需求的實現提供了可能，他可以隨著天線的掃描實時改變極化狀態，使得在一次掃描過程中，可以得到多個不同極化的電場矢量，為多極化信息處理提供依據^[1-3]。變極化天線具有可以設置調整極化狀態的特性，僅由掃描角來控制極化狀態，簡單而且易于利用，并且相對于傳統的多極化天線大大降低了成本，這種優良的特性為變極化天線陣列、變極化相控陣雷達提供參考依據，也為變極化電子偵察，變極化電子干擾提供了新的思路。

現有的關于極化信息處理的文獻中，涉及到天線的空域變極化特性的公開文獻很少，主要集中在電磁時頻域極化特性方面及其利用的研究，對于交叉極化方面的研究也多集中在交叉極化抑制方面。本文以微帶天線為例，設計一種變極化的微帶天線貼片單元。微帶天線的設計已經相當成熟，傳統認為設計微帶天線時應當抑制交叉極化，使得天線的極化純度達到很高的水平。本文突破傳統的矩形微帶天線設計方法，提出了有目的地在不同空域范圍內同時激勵主極化和交叉極化的設計方法，采用合理的長寬比達到同時激勵雙模式工作的目的，使得天線在空域范圍內極化比呈現出從垂直線極化到水平線極化再到垂直線極化過渡的規律。滿足這種極化規律的天線在空域掃描范圍內不但可以使天線在掃描的時候得到雙線極化的能力，并且在掃描的中間狀態可以獲得多種中間極化狀態。他與傳統的雙極化^[4-6]或者多極化天線的不同在于：前者可以通過方位角掃描的變化連續的變化天線的極化特性；而后者需要通過機械的控制才能達到不同的極化，極化的改變依賴硬件伺服系統的精確定位^[7]。因此，這種微帶天線相對以前的多極化天線來說通過利用天線自身的空域極化特性來換取了設備量，同時還大大降低了設計制作的成本，保證了足夠的極化精度，無疑為多極化信息的利用提供了方便。

2 微帶天線空域寬波束變極化的設計原理

由于微帶天線具有工作頻帶覆蓋很廣、重量輕、體積小、剖面薄、易共型、低制作成本、方便大批量生產等優點，并且能簡單地通過饋電實現線極化和圓極化，容易實現雙頻和雙極化，無背瓣輻射，很容易和微波集成電路進行集成。所以近年來，由于微波集成技術的發展和空間技術對低剖面天線的迫切需求，微帶天線作為火箭和導彈上的共型天線已經獲得了廣泛的應用，并且在通信、雷達、遙感、遙控等領域發揮著越來越重要的作用^[8，9]。

微帶天線的工作原理可由分析矩形微帶貼片來說明，天線的輻射由貼片四周與接地板之間的窄縫形成，由于接地板的存在，天線主要向上半空輻射。微帶天線的理論分析方法有很多種，如傳輸線模型法、腔模法、矩量法、FDTD方法等。其中傳輸線模型法把天線看成兩端開路的微帶傳輸線，場沿傳輸線呈駐波分布，輻射主要由兩開路端的縫隙產生，這種方法簡單易懂，且計算方便，對于矩形微帶天線有著很好的應用^[10]。因此，本文的設計中采用此種方法。

傳統的微帶天線設計將微帶貼片的一邊看成是場沿橫向沒有變化的傳輸線諧振器，場沿縱向呈駐波分布，這樣，輻射主要由兩開路端的邊緣場產生，僅激勵起橫向場的單一工作模式，保證了極化的純度^[10，11]。本文將微帶貼片的縱向尺寸進行改變，破壞其原有的駐波分布狀態，使得場沿縱向產生于原橫向場極化狀態相正交的輻射場，并且控制微帶貼片的縱向尺寸大小，使得其縱向上激勵的工作模式產生和橫向上激勵的工作模式產生的電場方向圖波瓣關于空間掃描角互補，而且極化狀態正交，兩個場的疊加可能產生寬波束的變極化場，下面進行詳細討論。

在不同的工作模式下，微帶天線呈現出不同的輻射方向圖特性和極化特性。就輻射方向圖來看，(0，1)，(1，0)，(0，2n+1)，(2m+1，0)等模式在邊射方向形成最大值；而(0，2)，(2，0)，(0，2n)，(2m，0)等模式在邊射方向形成零點。就模式的交叉極化而言，對工作于TM01模的矩形天線，其主模極化方式為垂直極化，在主平面上并無交叉極化輻射，這時交叉極化分量即水平極化分量主要來自TMm0模的貢獻。同樣對工作于TM10模的矩形天線，其主模極化方式為水平極化，在主平面上并無交叉極化輻射，這時交叉極化分量即垂直極化分量主要來自TM0m模的貢獻^[11]。圖1給出了微帶天線工作在TM10和TM02模時，其二維輻射方向圖在空域的變化情況示意圖，可以清楚地看出，兩個模式產生的電場波束在空間上是正好可以在空域上互補的，并且文獻[1]指出，這兩種模式產生的電場極化狀態是正交的，分別是水平極化和垂直極化。

以上結論表明，如果能夠在微帶貼片的橫向和縱向分別激勵微帶天線的TM02和TM10模式同時進行工作，那么將會產生這樣的極化波束：其空域的方向圖互補產生寬波束，互相正交的極化分量在空間的合成產生了變極化效果。這樣，在掃描角很寬時，極化比會呈現出從垂直線極化到水平線極化再到垂直線極化這種過渡的情況。

要想激勵兩種模式一起工作，就必須保證兩種模式工作的諧振頻率在同一頻點相重合，這樣才能使得激勵的波束正好可以在這一頻點疊加，對于寬為a，長為b的矩形微帶天線，能激勵起這兩種模式的諧振頻率與微帶長寬的關系為^[11]：



f10=c2aεe

f02=cbεe[JY](1)



由此可見，兩個諧振頻率分別與微帶天線的長和寬有關，而且互不影響，這樣就很容易找到諧振點使得f10=f02。所以要想同時激勵起這兩種模式，應當選擇長寬比b/a=2的貼片^[11]，貼片的諧振頻率由微帶的尺寸和介質的有效介電常數決定。

圖1 兩種模式分布工作時波束形狀

3 空域變極化微帶天線單元的設計方案及仿真結果

3.1 分析工具簡介

IE3D是Zeland公司生產的一個基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質環境下的三維金屬結構的電流分布問題。他利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決不連續性效應、耦合效應和輻射效應等問題。仿真結果包括s-，y-，z-參數，VWSR，RLC等效電路，電流分布，近場分布和輻射方向圖，方向性，效率和RCS等。IE3D在微帶天線計算分析方面是一個非常有用的工具，他具有以下的特點：自動生成適于所分析的幾何形體的非均勻的矩形、三角形網格；具有自動邊緣網格的特點，使初學者得到準確的專業結果；可對具無限和有限接地面的結構進行建模；對局部的去嵌入和差分饋源設計進行準確和靈活的電路參數提取；能精確地對金屬厚度、極薄的介質、損耗介質、HTS中的高介電常數的介質進行建模；利用可靠、高效的優化器GeneticEM自動靈活地優化電磁場功能；自適應功能，利用較少的仿真可以快速準確地得到寬頻帶的分析結果；“仿真和探求激勵”功能，允許監視饋電網絡中的天線陣列的功率分布；利用對稱矩陣求解器、微分矩陣求解器和迭代矩陣求解器提高仿真效率；提取與SPICE仿真器相兼容的RLC等效電路；以笛卡爾和史密斯圓圖方式顯示s-，y-，z-參數，VSWR和輻射方向圖；輻射參數的計算，包括方向性、效率、RCS和輻射功率；以二維和三維方式顯示電流分布、輻射方向圖和近場分布。

IE3D作為電磁場仿真工具已經被業界所廣泛認可，其計算結果的精度已經近似達到了實際測量結果。

3.2 設計方案和分析結果

以上分析結果表明，當矩形貼片長寬比b/a=2時，可以有效地同時激勵兩種模式工作。以x波段工作的微帶天線為例，由工程的常用補償計算^[11]得到典型微帶的長大約為13 mm，此時，諧振頻率達到約10 GHz。為此，設計如圖2所示，其中左端偏窄的貼片為微帶饋線結構。

圖2 微帶天線結構示意圖

圖2中，微帶貼片：寬(a)×長(b)×高(h)＝13 mm*26 mm*2.5 mm；介質介電常數：107；微帶饋線寬度：11 mm；饋點阻抗：50 Ω。

這種天線為單層結構，產生的反射系數和駐波比如圖3所示。

圖3 微帶天線的帶寬性質

當天線工作在中心頻率9.65 GHz的時候，圖4(a)表明這種天線的3 dB波束寬度由于雙重模式工作的原因接近100°，很好地滿足了天線寬波束的要求。圖4(b)為雙重模式在正交雙極化通道上產生的極化波束，其中實線表示垂直極化分量，*號表示水平極化分量，這兩個分量很好地滿足了空域上方向圖互補，極化互相正交，實現了寬波束變極化的目的，與理論分析結果是一致的。為了便于更加直觀地理解，圖4(c)，(d)，(e)分別給出了垂直極化分量，水平極化分量以及輻射場的三維方向圖。其方向圖在整個空域上的分布不規則與饋線部分反饋的影響有關，其在E面上的投影正如圖4(b)所示。

圖4 仿真結果

圖5為天線空域極化比分布的示意圖，橫坐標為方位掃描角。由圖5(a)可見，在掃描角度為-55°的時候，極化比幅度達到51.4，近似達到垂直極化，而在掃描角度為0°的時候，極化比為0，此時極化狀態為水平極化，角度再次增大，達到58°的時候，極化比幅度變為28.2。天線在垂直極化的滿足上不是很理想，但是垂直極化分量已經遠遠大于了水平分量，中間過程即掃描角度在-55°~0°和0°~58°之間變化的時候，由圖4(b)可見，極化比的相位一般在-90°和90°左右上下變化，這說明，中間狀態掃描角為-18°或者14°的時候，極化比幅度近似為1，天線在掃描過程中遍歷到了圓極化狀態。

圖5 天線空域極化比分布示意圖

4 結 語

本文給出了一種新型的空域變極化微帶天線，詳細分析了變極化和寬波束的原理，并對其進行了計算機仿真，結果表明該天線在空域掃描范圍內較好地滿足了從垂直極化經過圓極化向水平極化過渡的要求，使得天線本身在空域范圍內，通過控制掃描角的變化改變天線的極化狀態。該方法效果明顯，規律性強，簡單易行，具有很好的工程應用價值。該微帶天線單元的加工制作和特性測量工作正在進行之中，本文的研究結果為空域變極化特性在電子偵察、電子對抗等多極化信息處理領域的應用提供可靠的基礎和實例佐證。

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