一種雙圓極化寬帶天線及其陣列應用

2020-10-15 01:50:38尹建勇汪云超

電子科技大學學報 2020年5期

尹建勇，汪云超，楊鵬*

(1. 北京理工大學信息與電子學院北京海淀區 100086；2. 電子科技大學電子科學與工程學院成都 611731)

隨著電子通信技術的發展，寬帶雙圓極化陣列天線具有了很強的抗干擾能力和抗衰減能力，在衛星通信技術中得到了廣泛應用[1-6]。天線性能的優劣直接決定了通訊系統性能的好壞，因而國內外學者對天線開展了一系列的研究。文獻[7]采用雙層圓形輻射貼片開不同的槽來實現雙圓極化，經組陣后天線具有高輻射效率(高于65%)和低旁瓣(小于–20 dB)的特性。文獻[8]研究了一種旋轉布陣式的雙頻雙圓極化2×2 陣列，獲得了隔離度大于26 dB 以及帶內軸比低于1.2 dB 的特性。

文獻[9]采用上下分層的正交耦合饋電實現雙極化特性。兩個極化端口阻抗帶寬為52%，極化隔離度在39 dB 以上。文獻[10]介紹了一種低剖面寬帶廣角掃描圓極化陣列，結果表明在8～9.1 GHz范圍內，其掃描下降3 dB 以內的掃描角超過±60°。文獻[11]采用4 個按順時針旋轉的L 形貼片構成寬帶圓極化天線，10 dB 阻抗帶寬達到了92.8%，3 dB軸比帶寬為67.5%，峰值增益為12.4 dBi。

本文采用雙層圓形輻射貼片，利用環形電橋實現雙圓極化饋電，貼片四周采用金屬柱與環形金屬帶作為寄生單元，設計出一款工作在1.8～2.36 GHz的雙圓極化寬帶層疊微帶天線。天線單元工作頻帶內的波束寬度優于110°，峰值增益5.9 dBi，交叉極化抑制度優于20 dB，前后比優于28 dB。采用5 個單元組成了非規則面陣，陣列合成增益實測大于11.5 dBi，±55°掃描增益高于9 dBi。

1 雙圓極化寬帶天線的設計

1.1 天線的結構

圖1 所示為天線單元，其尺寸為58 mm×58 mm×8 mm。天線一共有4 層介質基板，最下層為介電常數2.2，厚度1 mm 的帶狀線結構饋電網絡層。其余為介電常數4.3 的輻射貼片層，厚度由上往下分別為0.5、4.5、2 mm。

圖1 天線結構及尺寸參數圖

天線尺寸的具體數值見表1，而兩個饋電探針的直徑為1 mm，它們在電橋上相距四分之一波長，天線的兩個饋電點分別對應圓極化的兩個旋向。

表1 天線的詳細尺寸mm

1.2 天線的工作機理

天線圖如圖2 所示，饋電點A、B 分別表示左旋和右旋圓極化端口。位于天線正中心的短路金屬柱可抑制一些干擾模式，而輻射貼片周圍的金屬柱相當于頂部加載電容的單極子天線，它與天線頂層的環形金屬帶共同作用，起到了一定的展寬波束的效果。天線有兩層輻射貼片，饋電信號通過兩個相距四分之一波長的探針對下層輻射貼片進行饋電，位于上層的輻射貼片通過電磁耦合作用獲得激勵。

圖2 天線的正面圖與側面圖

為進一步探究天線特性，采用全波仿真軟件進行仿真分析。圖3 為右旋端口饋電時的電流分布(2.3 GHz)，縱觀天線在不同相位時的電流分布，其較好地實現了圓極化特性，其中環形金屬帶上有較強的電流，說明環形金屬帶參與了天線輻射。

圖3 天線的電流分布圖(右旋2.3 GHz)

2 單元特性

2.1 天線單元的S11 參數與軸比

圖4、圖5 分別為天線的S 參數和軸比圖?？梢钥闯?，天線的10 dB 阻抗帶寬為26.9%(1.8～2.36 GHz)，實測結果略偏低頻，3 dB 法向軸比帶寬為19.3%(1.92～2.33 GHz)，實測結果與仿真結果一致性較高。兩個端口(極化)的S 參數結果比較接近，天線阻抗帶寬要優于軸比帶寬。