基于金屬環與縫隙環的雙極化天線設計

李文強，付培忠，董玉僅

（1.魯東大學 后勤處，煙臺 264001；2.煙臺節能監察支隊，煙臺 264000；3.山東隆華文化發展有限公司，煙臺 264000）

雙極化天線可用于接收不同極化的電磁波，用來估計入射電磁波的極化與DOA等信息。因此雙極化天線廣泛地應用于雷達系統對目標進行檢測、定位和跟蹤，其中電磁波的極化信息還可用于目標識別。在雷達系統中大型相控陣天線系統需要幾十個甚至幾百個雙極化天線單元，因此會嚴格控制每個天線元件的成本以及結構復雜度。然而，簡單的天線結構及緊湊的饋電網絡與低成本通常不能同時實現[1-2]。因此，結構簡單和低成本的雙極化天線在大型相控陣天線中更具競爭力。

偶極子天線是實現雙極化天線的一種常用線性極化天線。與線形偶極天線相比，方形環偶極天線有更寬的阻抗帶寬[3]。與小環形天線相比，大環形天線具有較好的輻射電阻[4]。環形天線作為磁偶極子，可以實現水平極化和全向輻射，被廣泛用做基站天線[5]。利用交錯耦合線可使電流在圓環上保持均勻同向，進而產生全向輻射圖，沒有交錯耦合線的電流在圓環上不均勻且有相移，電流在圓環的頂邊和底邊方向相同，所以最大輻射方向為圓環的法線方向。對于雷達系統中的相控陣天線，每個天線單元通常需要在天線法向面輻射。因此，在金屬環路兩側提供同相電流的大型金屬環形天線可以滿足相控陣天線要求。所以，偶極子金屬環形天線或單極子金屬環形天線可作為實現雙極化天線中其中一個極化方向的天線[6]。

金屬環形天線是在雙極化天線中實現一個極化方向的良好選擇，所以與金屬環形天線互補的環形縫隙天線也可以用于實現另一個極化方向。此外環形縫隙天線被廣泛應用于線極化天線[7]、圓極化天線[8]、甚至極化可重構天線[9]。通過控制環形縫隙天線的饋電網絡可以產生不同的極化，饋線變化或縫隙變化可以改變環形環縫隙天線的極化和工作頻率[10]，本文中將環形縫隙作為磁流輻射器來實現雙極化天線。

本文提出了基于金屬環形天線和縫隙環形天線的雙極化天線，其中金屬環形天線由同軸探針饋電，縫隙環形天線由微帶線激勵。具有互補結構的金屬環天線與縫隙環天線可產生相似天線輻射圖，與采用不同天線形式來實現雙極化天線的結構相比，采用互補結構具有更好的輻射性能。天線通過利用位于天線下方的金屬反射器獲得單向輻射圖。金屬環與縫隙環天線結構簡單且饋電網絡簡潔，降低了制造復雜性和天線成本，因此該雙極化天線適合作為大型相位陣天線的天線陣元。

1 天線結構和設計

1.1 天線結構

本文所提出的雙極化天線結構如圖1所示，天線共有3層，其中在頂層蝕刻出環形槽，在中間層印刷金屬環，底層為金屬板反射器以實現天線單向輻射。頂層和中間層中使用介質板為RT5880，其中介電常數為2.2，厚度為1.00 mm。位于最底層金屬板四角處有4個短接針，探針將頂層地板和金屬反射器相連。頂層的環形縫隙由微帶線饋電，中間層的金屬環由同軸探針激勵。縫隙環可以被認為是磁流輻射器，金屬環可以被認為是電流輻射器。2個輻射器均是線極化天線，并且通過從正交端口激勵從而具有正交極化形式。因此，通過2個線性極化的環縫隙天線和金屬環天線一起構成了雙極化天線。

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Antenna configuration with detached antenna structure

詳細的天線結構和尺寸如圖2所示。在圖2（a）中，縫隙環和金屬環之間的距離為h1=6 mm，金屬環和金屬反射器之間的距離為h2=8.00 mm。在頂層和中間層的正方形介質板具有相同的長度l=28.00 mm，金屬反射器長度為lr=45.00 mm。兩個線極化天線都通過同軸探針激勵，不同之處在于金屬環直接連接到同軸探針，而縫隙環由連接到同軸探針的微帶線激勵。如圖2（c）所示，半徑為 Rl=9.00 mm和寬度為wl=0.70 mm的金屬環是開路（間隙寬度為wc=1.00 mm），用來擴展天線阻抗帶寬，金屬環天線作為單極天線工作，并且利用位于天線平面下方的金屬反射器來獲得單向輻射方向圖。雙極化天線的另外一個極化采用金屬環形天線的互補環形隙縫天線來實現，半徑為Rs=6.60 mm，寬度為ws=2.50 mm，縫隙通過長度為lm=10.00 mm，寬度為1 mm的微帶線饋電。頂層地板通過4個具有半徑Rc=1.25 mm的短路針短接到底層金屬反射器。同樣，隙縫環天線也通過金屬反射器獲得單向輻射方向圖。

圖2 天線的詳細結構和參數圖Fig.2 Antenna detailed structure and parameters

1.2 天線參數分析

在本節中使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio來研究所提出天線的關鍵參數。該天線中利用4個短路探針來改善隙縫環天線的阻抗匹配和帶寬。在圖3中顯示了3種天線支撐柱形式，其中在圖3（a）中為短路探針，即地板與金屬反射器短路相連，在圖3（b）中沒有支撐柱，在圖3（c）中使用了FR4（介電常數2.2）作為支撐柱。

圖3 不同天線結構圖Fig.3 Antenna models

所提出的天線在這3種情況下的反射系數和隔離度如圖4所示。從圖4中可以看出，短路探針可以擴展端口2的阻抗帶寬，并明顯改善低頻下的天線性能。同時，它們還將端口1的工作頻率降低到到較低頻帶。且端口1和端口2之間的隔離受短路探針影響較小。

圖4 S參數的仿真結果Fig.4 Simulation resluts of S parameters

除了使用短路探針這種方法以外，切斷金屬環也可以改善天線的阻抗帶寬。當金屬環形天線處于切斷或未切斷狀態時，所提出的天線的反射系數和隔離度如圖5所示。

圖5 S參數的仿真結果Fig.5 Simulation resluts of S parameters

注意到在圖5中，切割金屬環可明顯改善端口2的反射系數，同時幾乎不影響端口1的反射系數。借助于分析金屬環路上的電流可以解釋這一現象。在5 GHz的金屬環路上的電流分布如圖6所示。從圖中可以看出，在饋電點相對的金屬環上幾乎沒有電流。因此，切斷金屬環對端口1的反射系數幾乎沒有影響。

圖6 在頻率為5 GHz的金屬環路上的電流仿真結果Fig.6 Simulation resluts of electric current on meatllic loop at 5 GHz

2 仿真結果

利用天線參數優化結果，得到的雙極化天線 S參數仿真結果如圖7所示。金屬環天線（端口1）的反射系數從4.87 GHz～5.10 GHz均低于-10 dB，所以金屬環天線的阻抗帶寬為4.61%。然而，隙縫環天線顯然具有從4.47 GHz～5.40 GHz的18.84%阻抗帶寬。兩個端口之間的隔離在整個工作頻帶中高于20 dB，并且可以通過修改短路探針或修改環形縫隙兩端口隔離度。

圖7 所提出雙極化天線的仿真結果Fig.7 Simulation resluts of proposed dual polarized antenna

金屬環天線在4.90 GHz，5.00 GHz和5.10 GHz的天線增益分別為 6.16 dBi，6.10 dBi和 6.09 dBi。上述頻率處的縫隙環天線的增益分別為7.01 dBi，7.30 dBi和7.52 dBi。金屬環和縫隙環天線在5 GHz的輻射方向圖如圖8所示。在xoz平面和yoz平面中，金屬環5 GHz的3 dB波束寬度為83.7°和56.5°，縫隙環的3 dB波束寬度為57.5°和76.2°。所提出天線的方向圖前后比（F/B）較低，可以進一步通過增加反射腔來改進。

圖8 天線輻射方向圖仿真結果Fig.8 Simulation resluts of antenna radiation patterns

3 結語

本文提出一種互補金屬環和縫隙環低成本雙極化天線，并討論了影響天線性能的關鍵參數。金屬環與縫隙環分別為電流輻射器與磁流輻射器，為互補結構。通過增加短路探針明顯改善了縫隙環天線的阻抗帶寬且不影響金屬環天線的阻抗性能。所研究的天線工作在4.87 GHz～5.10 GHz的頻率范圍，可應用于雙極化相陣天線系統。