多 層 雙 極 化 天 線 陣 列 設 計

趙紅霞

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

多 層 雙 極 化 天 線 陣 列 設 計

趙紅霞

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

設計了一款采用H形縫隙耦合的多層雙極化微帶天線陣。采用HFSS 軟件仿真，優化天線帶寬及隔離度交叉極化等性能。經計算，該天線在駐波比< 2 時，兩個極化可分別覆蓋(8.25 ～9.85) GHz和(8.25～10.05)GHz的工作頻段，即具有帶寬>17.6% 及隔離度>32 dB的性能，而且相對探針饋電形式結構更穩定、更易于實現，可靠性高，可以滿足實際應用需求。

移動通信系統; 多層雙極化天線； 陣列

雙極化天線可以在一個口面內同時實現兩副極化方向相互正交的天線性能，并保持相互獨立的工作模式[1-8]，因此，其最突出的優點是節省天線數量。一般全球移動通信系統(Global System for Mobile Communication, GSM)的定向基站(3扇區)要使用6根天線，每個扇形使用2根天線(空間分集，一發兩收)，如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線。另外,雙極化天線具有電調天線的優點，在移動通信網中使用雙極化天線，同電調天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網的服務質量。

國內、外主要將雙極化天線的研究重點放在增加不同端口隔離、展寬天線的頻帶寬度和增加交叉極化隔離問題的討論上[9-11]。文獻[12]中對每個極化端口都采用探針方式饋電，端口隔離度數值<-20 dB，交叉極化數值<-31 dB，但是，探針會產生寄生電感性，使得天線帶寬變窄。為了展寬帶寬，文獻[13]中采用了一種L型探針結構的耦合饋電方式，使用探針和貼片天線間耦合出的寄生電容，抵消了探針引入的感性，但是，垂直結構天線陣設計較為復雜，產品可靠性不高[14-15]。

本文選取多層縫隙耦合的雙極化微帶陣列天線進行研究，通過采用基于有限元法的高頻結構仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)軟件進行數值計算，在X頻段內實現了具有隔離度<-32 dB和-33 dB的交叉極化性能1×2單元的雙極化陣列設計。

1 多層縫隙耦合雙極化天線單元設計

天線單元采取H型縫隙耦合微帶方形貼片形式，其具體結構如圖 1 所示。該結構包括2層微帶介質板、2層泡沫夾層及1個金屬反射板。第1層介質板僅正面是輻射貼片。由于H型縫隙具有比矩形縫隙更小的尺寸，故本設計第2層的介質板正面采用兩個互相垂直的H型縫隙，背面是對縫隙耦合饋電的微帶饋線，兩條饋線分別激勵兩個正交的主模TM01和TM10,從而形成雙極化的空間輻射。介質板厚度都為0.508 mm，介電常數2.2，2個垂直縫隙的尺寸一致，用a、b表示。第1和第2層介質板之間垂直高度約為3 mm，為了獲得單向輻射，金屬反射板距離第2層介質板高度約為1/4波長，即λ/4=8.33 mm。

圖1 雙饋點圓極化天線示意圖

H形耦合縫隙的尺寸及耦合饋電的微帶線與縫隙間的位置關系將對天線的輻射頻率及駐波比大小產生較大的影響，采用基于有限元法的HFSS軟件對天線關鍵參數進行設計優化，設計過程不再贅述。微帶饋線寬度為1.6 mm，縫隙尺寸a=3.6 mm，b=4.6 mm。圖2所示為兩個極化端口的駐波比曲線。由圖可見，水平極化端口，駐波比< 2的帶寬達到16%，(8.38～ 9.78)GHz頻段內；垂直極化端口，駐波比< 2的帶寬為21%，(8.1 ～10.05)GHz頻段內。

圖2 計算的單元駐波比曲線

圖3所示為兩端口隔離度仿真結果。由圖可見，天線單元端口在(8.0 ～ 10.05)GHz的設計頻段內隔離度>38 dB，再次證明縫隙耦合的方式可以較好地增加端口的隔離度。

圖3 單元的兩端口隔離度曲線

圖4所示為天線中心頻率水平極化和垂直極化的輻射方向圖。由圖可見，添加金屬反射板后，該天線呈單向輻射，最大增益均大于8 dB，兩波束寬度大于70°；圖中添加了5 dB數值線。

(a) 水平極化輻射

(b) 垂直極化輻射

圖4天線單元計算方向圖

Fig.4 Simulated radiation pattern of antenna unit

2 雙極化天線陣列設計

圖5所示為二元X波段雙極化高隔離度多層微帶天線陣平面示意圖。圖中，水平端口1和垂直端口2都使用簡潔的并聯結構饋電，可以確保駐波比帶寬的指標，改善每個單元激勵電流的相位和幅度的均勻性。由圖可見，在保證不出現柵瓣的前提下，饋線間預留了大于3個饋線寬度的距離，從而抑制了微帶線之間、微帶線和天線之間的互耦影響。

圖5 2單元陣列天線平面示意圖

圖6所示為二單元天線陣駐波比參數曲線圖。由圖可見，水平極化端口1在(8.25 ～ 9.85)GHz頻帶內滿足駐波比 < 2，帶寬達到17.6%；垂直極化端口2在(8.25 ～ 10.05)GHz頻帶內滿足駐波比 < 2，帶寬達到19.7%。

圖6 計算的陣列駐波比曲線

圖7所示為陣列天線兩端口間隔離度的計算曲線。由圖可見，在(8.0～10.05) GHz頻帶內兩端口的隔離度>32 dB，比單元天線的隔離度計算結果差6dB。這是由于同相位等幅組陣后，兩貼片的TM02和TM20模激勵起的輻射場將相互疊加，導致兩單元間的耦合增加，隔離度性能變差。

圖7 陣列的兩端口隔離度曲線

圖8給出了水平極化陣列天線在E面和H面的主極化及交叉極化方向圖。由圖可見，天線最大增益為11.0 dB,在最大輻射方向交叉極化均小于-33 dB，具有較好的交叉極化特性。根據計算，垂直極化陣列的主交叉極化在最大輻射方向也小于-35 dB,與水平極化陣列性能相當。由于篇幅所限，本文中方向圖不再給出。

(a) H面

(b) E面

3 結 語

本文設計了一款多層H形縫隙耦合的雙極化天線陣列。利用HFSS軟件進行仿真計算，結果表明，該天線在兩個極化方向分別具有較寬的帶寬及較好的交叉隔離度，相較探針直接饋電具有相當的電性能；縫隙耦合形式工程可實現性強，結構穩定，可靠性高，可以滿足實際應用需求。

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Design of Stacked Dual-Polarized Antenna Array

ZHAOHongxia

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306， China)

A stacked H slot-coupled dual-polarization antenna array is designed and studied. The simulation results including standing wave ratio (SWR) and radiation patterns are obtained and presented with the software tool HFSS. The simulation shows that, when the value of SWR is less than 2, the array covers a band of 8.25 GHz～9.85 GHz and 8.25 GHz～10.05 GHz corresponding to two different polarizations respectively. The level of isolation between two ports is better than 32 dB, showing good radiation performance both in horizontal and vertical directions. Compared with the probe-fed, the slot coupling structure is more stable and easily realized, suitable for engineering use．

mobile communication system; multilayer dual-polarized antenna; array

2017 -09 -03

上海市自然科學基金項目資助(17ZR14111000)

趙紅霞(1983-)，女，講師，博士，主要研究方向為有機光器件中的動力學過程，E-mail: zhaohx@sdju.edu.cn

2095-0020(2017)05 -0255-04

TN 820.15

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