雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線研究

宋立眾 周輝媛 宋傳超

摘要：????? 本文研究了一種雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線。 該天線采用縫隙單極子天線作為天線單元， 采用水平正交的方式實現雙極化。 該天線的饋電方式為共面波導饋電， 并與SMA連接。 在天線底部增加反射板， 增強天線的輻射方向性并且提高天線增益。 采用電磁仿真軟件CST對該雙極化天線結構進行建模仿真和優化設計， 工作帶寬為4.1～4.6 GHz。 仿真結果表明， 在工作范圍內， 天線的駐波比低于2.2， 隔離度高于20.836 4 dB， 天線輻射方向圖的方向性良好， 增益在5.73 dBi以上， 波束寬度在37°以上。 對設計的天線進行加工測試， 測試結果表明， 天線的輻射方向性較強， 駐波比和隔離度達到了預期要求， 驗證了該天線設計的可行性和有效性。

關鍵詞：???? 雙極化天線; 縫隙單極子天線; 共面波導; 電壓駐波比

中圖分類號：??? ??TJ765; TN820文獻標識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0046-06[SQ0]

0引言

電磁波中不僅包含幅度、 相位、 頻率和方向性， 還包括極化特征。 天線的極化特征是指天線在最大輻射方向電場矢量的取向。 雙極化技術具有提高通信容量、 極化捷變的能力[1]， 且抗干擾能力強。 雙極化天線能夠同時接收電磁環境中的全部極化信息。 天線是系統中的關鍵技術之一， 天線性能的好壞決定了系統性能的優劣。 因此， 雙極化天線成為國內外天線研究者的研究焦點， 并且極化技術是解決極化雷達問題的有效手段之一， 被廣泛應用到被動雷達和電子偵察等軍事和民用領域。

常見的雙極化天線主要包括雙極化微帶貼片天線[2]、 雙極化偶極子天線[3]和雙極化縫隙天線[4]等。 天線的關鍵參數包括交叉極化[5]、 工作頻帶[6]、 電壓駐波比[7]、 端口隔離度和波束寬度， 以及輻射方向圖[8]和輻射增益。 同時， 在實際工程實踐中， 需要考慮天線安裝結構、 饋電方式、 組陣方式和材料成本因素， 因此， 設計和研制適合于實際工程應用的雙極化天線單元具有重要的實際意義。

雙極化縫隙天線作為研究熱點， 研究成果較多。 例如， 文獻[9]提出一種具有5個諧振點的緊湊型雙極化縫隙天線， 該天線由兩部分組成， 分別是三階縫隙諧振器和一對交叉的單極子， 通過給兩個位置對稱相反的槽線饋電的方式實現雙極化， 隔離度高于32 dB。 文獻[10]提出一種低剖面雙極化SI縫隙天線， 該天線通過給兩個正交的SI槽構成的微帶線饋電實現雙極化并組成四元天線陣， 天線隔離度在35 dB以上。 宋國棟等人[11]提出一種新型雙極化波導縫隙天線， 通過在水平極化天線上使用非傾斜窄邊縫波導縫隙天線陣的方法解決水平極化的交叉極化差的問題， 在垂直極化天線上采用非對稱脊波導寬邊開縫波導縫隙天線陣的方法解決垂直極化的交叉極化問題， 從而提高天線增益和隔離度。 高國明等人[12]提出一種雙極化微帶縫隙天線單元， 該天線通過在地面刻蝕十字縫隙并水平正交饋電實現雙極化天線。 吳錕等人[13]提出一款L/S波段雙頻雙圓極化縫隙天線， 該天線通過在L波段圓極化平面縫隙天線上增加寄生貼片的方法實現雙頻雙圓極化天線， 在地上刻蝕圓環并用一個矩形縫隙切斷圓環， 在天線上方增加圓形寄生貼片， 通過互耦作用實現雙極化， 王小毅等人[14]提出一款雙極化縫隙天線， 該天線采用4條長短不一的正交縫隙臂和正方形環狀縫隙的結構以及微帶縫隙耦合的饋電方式實現雙頻圓極化天線。 文獻[15]提出一種雙極化縫隙天線， 兩個完全相同的縫隙陣列采用共面波導串聯饋電的方式實現雙極化， 天線采用單層介質板， 并且天線單元在介質板的兩側排列， 加工成本低、 隔離度高。 文獻[16]設計了一款寬帶雙極化平面環形槽天線， 該天線通過不同的饋電機制實現極化正交， 水平極化是通過曲折線耦合槽激發出來的， 垂直極化通過一階磁單極子饋電獲得， 從而實現較高的隔離度。 陳顯明等人[17]提出一種雙極化MIMO超寬帶方環縫隙天線， 該天線的天線單元底層由2個方環微帶線組成， 頂層由2個對稱的方環構成， 采用電磁耦合的饋電方式。

雙極化縫隙天線分為線極化天線和圓極化天線， 結構比較多樣。 常見的饋電方式有共面波導饋電、 微帶縫隙耦合饋電和同軸饋電。 共面波導的傳輸線與地在介質板的一側， 便于實現低剖面和共形。 共面波導結構簡單、 便于計算， 較易實現阻抗匹配， 并且這種饋電方式能夠降低輻射損耗， 便于集成。 因此， 本文提出一種雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線的實現方案， 主要討論了該天線的結構和輻射性能的電磁仿真與優化問題， 對所設計的天線進行加工測試， 給出具體的測試結果， 滿足天線的基本要求， 為實際應用奠定了技術基礎。

1天線結構設計

本文討論的雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線的結構模型如圖1所示。 圖1（a）為天線的俯視圖， 可以看到天線外部整體結構以及雙極化結構。 該天線采用兩個共面波導饋電的縫隙單極子天線水平正交放置實現雙極化。 天線的金屬厚度為0.036 mm， 采用的饋電方式為共面波導饋電， 采用內芯直徑為1.27 mm的SMA。 天線的輻射方向為垂直天線表面向上輻射， 在天線底部增加一個反射板有助于增加天線輻射增益， 提高天線的輻射方向性， 結構側視圖如圖1（b）所示。 該天線采用相對介電常數為4.3的FR-4板材， 介質板和反射板的厚度均為1 mm。 所設計的天線結構可靠、 性能穩定、 成本較低， 而且容易保證加工精度的一致性。

采用仿真軟件CST對天線進行參數建模， 進而對天線的輻射性能進行計算和優化。 圖2給出了所設計的雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線的工程圖， 標注的尺寸單位為mm。

2天線的電磁仿真分析

采用全波電磁仿真軟件CST對雙極化共面波導縫隙單極子天線進行參數建模， 根據性能要求對天線結構參數進行參數掃描和設計。 所設計的天線反射系數如圖3所示， 可以看出， 在4.1～4.6 GHz范圍內反射系數約小于-8.436 2 dB， 隔離度高于20.836 4 dB， 且端口1和端口2的反射系數一致。

本文設計的雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線在4.1 GHz和4.6 GHz時的輻射方向圖仿真結果如圖4～5所示，? 分別給出了天線兩個端口的xoz面和yoz面的輻射方向圖。 可以看出， 該天線的輻射方向圖波束較寬， 波束形狀規則， 天線增益均在5.73 dBi以上， 最大可達8.36 dBi， 天線的增益較高， 天線后瓣較小。 端口1的yoz面和端口2的xoz面的方向圖略有凹口， 但增益仍然很高。

可以看出， 在工作頻帶內， 端口2兩面的波束寬度波動較小， yoz面的波束寬度在96°～102.2°， xoz面的波束寬度在38.8°～49.4°， 且隨著頻率的升高逐漸增大， yoz面的波束寬度比xoz面的寬， 端口1的yoz面波束寬度波動較大， 波束寬度在37°～95°， xoz面的波動平緩， 波束寬度在83.3°～93°， 隨著頻率的升高逐漸增大， 但整體性能較好。

3天線的加工測試與分析

根據上述天線設計結果， 對設計的雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線進行了加工、 組裝和測試， 圖7所示為天線加工后的實物照片。

圖8給出了加工設計的天線的輸入端電路特性的測試結果， 在工作頻帶范圍內， 天線的反射系數約低于-10 dB。 端口1的反射系數與仿真結果接近， 端口2的反射系數比仿真結果的諧振點多， 端口2的反射系數比端口1的更好。 隔離度的測試結果與仿真結果接近， 但比仿真結果略優。 仿真結果接近但有一定偏差， 這可能是由于加工和安裝誤差引起的。

本文設計的雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線在4.1 GHz和4.6 GHz時輻射方向圖仿真結果如圖9～10所示， 分別給出了xoz面和yoz面的輻射方向圖。 可以看出， 天線的主極化方向性較強， 4.1 GHz時端口1的xoz面和4.6 GHz時端口2的yoz面交叉極化較差， 端口1的xoz面和4.6 GHz時端口2的yoz面的波束寬度較窄。 天線端口1的yoz面交叉極化和端口2的xoz面交叉極化較低。 同時， 在方向圖測試中， 由于天線的測試安裝誤差以及天線的加工不理想等因素， 測試的方向圖形狀有一定的起伏現象， 且主波束方向略有偏離， 這導致測試結果與仿真結果有一定差異。

4結論

極化信息處理技術是提高現代雷達系統性能的有效途徑之一。 極化敏感天線是極化雷達研制中的關鍵技術環節。 雙極化天線能夠同時接收電磁環境中的全部極化信息， 成為電子偵察和被動雷達等領域的研究熱點。 本文提出并設計了一種雙極化共面波導饋電縫隙單極子天線， 頻率覆蓋范圍為4.1～4.6 GHz， 給出了全波電磁仿真結果， 其仿真結果達到了預期的指標要求。 同時， 開展了試驗加工和測試結果工作， 驗證了設計方案的可行性。 本文的研究成果為其實際工程應用提供了有利的技術參考。

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