C波段寬帶雙極化微帶貼片天線設計

金秀梅，葉順濤，李運志，趙繼明，吳志鋒

(安徽四創電子股份有限公司，安徽 合肥 230088 )

0 引言

微帶天線與微波天線相比，具有剖面低、體積小、重量輕和易與饋線網絡一體化集成設計等優點，廣泛應用于雷達和通信領域[1-3]。

對于雙極化微帶貼片天線的研究，主要有探針饋電雙層微帶貼片天線[4-6]、微帶線共面饋電貼片天線[7]以及縫隙耦合微帶天線[8]。探針饋電由于探針的工程實現局限性，不利于陣列天線的加工實現；微帶線共面饋電是一種最簡單的饋電方式，由于輻射貼片和饋線處于同一層，同時由于色散和寄生輻射的影響，會導致天線交叉極化水平一般，故多用于單極化天線或與其他饋電方式混合應用于雙極化天線設計中；縫隙耦合微帶天線由于饋線和輻射貼片不在同一層，與共面饋電方式相比天線帶寬相對較寬，設計自由度和靈活度較好，輻射貼片和饋線的板材可以選用不同規格，設計獨立性較好[9-11]。文獻[12-16]均對不同形式的微帶天線結構形式進行了研究，因此為了展寬帶寬和獲得好的交叉極化，將雙層微帶貼片和縫隙耦合技術相結合，給出一種適合用于雙極化微帶陣列天線的天線設計。

本文提出一種寬帶雙極化微帶貼片天線，為展寬帶寬，天線采用雙層矩形微帶貼片形式，為了使2種極化具有較好的一致性，在地板上開一對相互垂直的H型耦合縫隙作為口徑耦合饋電，饋電微帶線均采用T字型耦合結構。對雙極化輻射單元和二元陣進行了分析，工作于3.4～4.2 GHz，具有良好的端口隔離度和高交叉極化抑制度。基于雙極化微帶天線單元，設計了二元陣，可以作為面子或線陣的基本單元。

1 天線結構

方形貼片具有易于工程制造特點，同時具有良好的正交極化特性，故本文雙極化微帶天線單元的輻射貼片采用矩形結構，為展寬帶寬采用雙層貼片結構，和H型耦合縫隙饋電，結構示意圖如圖1所示。

圖1 天線單元結構示意Fig.1 Schematic diagram of antenna unit structure

天線從上到下分為5層結構。第1層為介質板1，其正面不覆銅，寄生貼片刻蝕于底面，同時充當天線罩的作用；第2層為介電常數近似為1的泡沫，起到支撐介質板1的作用，由于泡沫的介電常數較低，相當于降低了介質板1的等效介電常數，實現寬帶諧振；第3層介質板2的正面刻蝕矩形貼片，背面刻蝕一對相互垂直的H型縫隙；第4層為介質板3，其背面刻蝕一對相互正交的T字型饋線；第5層為金屬屏蔽腔，將上述饋線包裹在內部，同時充當天線單元的接地板，減小背向輻射；其中介質板2和介質板3通過半固化片粘合。

2 天線單元分析

天線單元俯視圖如圖2所示。三層介質板選用羅杰斯RT6002介質板，介電常數為2.94，介質板3板基片厚度為0.762 mm，其他介質板基片厚度為1 mm，覆銅厚度為0.018 mm。

為了得到較寬的帶寬，同時保證2個極化具有較好的一致性，2種極化采用相同的饋電方式，均采用H型耦合縫隙饋電，饋線也采用相同T型支接進行阻抗匹配。H型耦合縫隙開在介質板2的底面，將輻射貼片和饋線分隔在不同的層，避免了饋線對輻射貼片的干擾。

運用三維電磁仿真軟件HFSS對天線單元進行優化仿真，貼片邊長約為工作波長的一半，經對天線各個參數進行優化，取寄生貼片邊長為26 mm，矩形貼片邊長17 mm，為方便陣列布局，饋線盡量選用高阻抗，本文饋線采用100 Ω(線寬W=0.5 mm)。

圖2 天線單元俯視圖Fig.2 Top view of antenna unit

對于正交饋電的雙極化微帶貼片天線，垂直極化主要工作于TM01模式，水平極化工作于TM10模式，除此之外，還會激勵起高次模。對于要求較高交叉極化的天線，在單元設計時，必須對高次模進行抑制，組陣情形需要進行相應的抑制交叉極化手段，以便獲得好的交叉極化性能。

天線單元水平極化和垂直極化的反射系數仿真結果如圖3所示。仿真結果表明，2個端口在C波段3.4～4.2 GHz頻率范圍內駐波小于2，相對帶寬達21%。

圖3 天線單元V/H端口駐波Fig.3 Antenna unit V/H port standing wave

天線2種極化端口隔離優于43 dB，如圖4所示。

3 天線陣列設計

方形微帶貼片作為天線輻射貼片要產生高次模，雙極化微帶天線陣在組陣時，若是各單元采用相同激勵，由于高次模的存在，2種極化端口之間會有干擾，從而降低了端口之間的極化隔離度， 導致交叉極化電平變差。為了取得較高的極化隔離度，可以對作為陣列天線基本單元的二元陣單元采用等幅反相饋電[8]。不同饋電位置的二元陣如圖5所示。

圖5 二元陣兩端口饋電Fig.5 Two-port feed of binary array

圖5中每個矩形微帶貼片包含2個激勵點，“H”代表激勵為水平極化的端口，“V”代表激勵為垂直極化的端口，符號“+”表示微帶天線單元對應的端口等幅同相饋電， 符號“-” 表示微帶天線單元對應的端口等幅反相饋電。

基于交叉極化抑制方法，對上述天線單元進行二元陣設計，如圖6所示。

圖6 二元陣天線仿真模型Fig.6 Simulation model of binary array antenna

由于二元陣是設計線陣或面陣的基礎單元，為保證天線方向圖不出現柵瓣，單元間距選取上應不大于一個最小工作波長。

為了抑制交叉極化，二元陣采用旋轉鏡像的方式，對單元采用等幅反相饋電。二元陣采用如圖7所示的T型功分器合成，對于T型功分器，總口的阻抗為Z0，則2個分口連接處的阻抗為2×Z0，通過一段1/4波長阻抗為1.414×Z0的阻抗變換器，將阻抗為2×Z0的微帶線變換為阻抗為Z0，等功分器的各個端口阻抗均為Z0，方便與天線單元直接進行連接。相鄰單元鏡像排布、反相饋電，合成2個微帶天線的微帶功分器引入180°相位差。

圖7 功分器模型Fig.7 Power divider model

綜上所述，運用三維電磁仿真軟件對二元陣進行了電磁仿真和優化設計。圖8和圖9給出了二元陣水平極化和垂直極化在中心工作頻率的方向圖。圖8(a)為二元陣水平極化E面方向圖，圖8 (b)為二元陣水平極化H面方向圖；圖9(a)為二元陣垂直極化E面方向圖，圖9(b)為二元陣垂直極化H面方向圖。仿真結果表明，設計的二元陣在中心工作頻率，其水平極化E面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內≥52 dB，水平極化H面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內≥35 dB；其垂直極化E面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內≥46 dB，垂直極化H面方向圖的交叉極化隔離度在±60°范圍內≥36 dB。即該二元陣的水平極化和垂直極化的交叉極化隔離度在±60°范圍內具有良好的交叉極化特性。

圖8 二元陣水平極化方向圖Fig.8 Horizontal polarization pattern of binary array

圖9 二元陣垂直極化方向圖Fig.9 Vertical polarization pattern of binary array

二元陣駐波如圖10所示。

圖10 二元陣駐波Fig.10 Standing wave of binary array

4 結束語

運用口徑耦合基本理論，結合H型耦合縫隙饋電，同時對饋線采用T型結構設計的理念，結合多層微帶板展寬天線帶寬的技術手段，設計了一款C波段微帶天線單元，并將該微帶天線單元進行二元陣設計。

本文設計的一種雙極化微帶貼片天線，為展寬帶寬，天線采用雙層矩形微帶貼片形式，在地板上開一對相互垂直的H型耦合縫隙作為口徑耦合饋電，饋電微帶線采用T字型耦合結構，對雙極化輻射單元和二元陣進行了仿真分析。仿真結果表明，該天線工作于3.4～4.2 GHz，在很寬的波束寬度內具有良好的端口隔離度和高交叉極化抑制度。本文設計的天線對于同類型的天線設計具有一定的參考價值。