一種Ku/K波段寬帶圓極化陣列天線的設計

蔣光明，楊曉慶，周 健

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

相控陣天線具有掃描波束可調、跟蹤精度高等優點，在雷達和通信領域具有重要的應用價值。與線極化天線相比，圓極化天線具有更好的抗多徑失真和極化失配性能，因此廣泛應用于無線通信系統中。隨著現代電子系統的發展，對圓極化相控陣天線提出了更高的要求，如寬帶寬角掃描、寬軸比波段、低剖面等。

交叉偶極子天線由于其優越的圓極化特性，近年來得到了廣泛的研究。這類天線不需要復雜的饋電網絡就可以產生圓極化輻射。近年來，在寬帶圓極化天線需求的驅動下，提出了幾種提高阻抗和軸比帶寬的交叉偶極子技術。一種典型的設計方法為將偶極子形狀變為矩形偶極子、蝴蝶結偶極子和橢圓偶極子，帶寬分別增加到27%、43.5%和96.6%。另一個重要的方法是使用寄生元件。文獻［4］中，在交叉偶極子的兩個臂之間引入了一個簡單的寄生元件，以產生額外的諧振，從而將軸比帶寬擴大到約58.6%。到目前為止，交叉偶極子天線在Ku/K波段還沒有應用，它們主要在10 GHz以下工作。

本文首先設計了具有寬頻帶特性的交叉偶極子單元，單元利用雙枝節和加載寄生貼片設計拓寬了阻抗帶寬，通過實驗驗證，單元實驗結果與仿真特性基本吻合。陣列采用小角度順序旋轉布陣技術降低了軸比。最后設計的8×8陣列進行仿真分析，具有良好的寬帶和寬角掃描特性。

1 天線單元設計

天線單元的結構如圖1所示，單元包含交叉偶極子、四個寄生元件、金屬化通孔和等效的饋電結構。交叉偶極子印制在羅杰斯RO4350基板的兩側，基板的相對介電常數為3.66，損耗正切為0.004，厚度為0.254 mm。每個偶極臂由兩個不同長度的分支組成，其中較長的分支設計在22.5 GHz的頻率下左右工作，較短的分支的引入是為了增加諧振點以提升帶寬。為了產生圓極化輻射，正交的偶極子由一個長度約為/4（中心頻率為22.5 GHz）的金屬環連接，可實現90°相位延遲。四個扇形寄生貼片位于四個偶極子臂之間，以提高阻抗帶寬。在K波段，單元天線的邊長約為7 mm×7 mm，傳統的金屬背腔和具有交叉偶極子的同軸線在工程上難以組裝。使用具有金屬化過孔的介質基板可替代金屬腔，這樣的設計使得剖面高度降低，同時便于組裝和加工。圍繞中心通孔的五個金屬化通孔取代了同軸線。金屬化過孔位于交叉偶極子周圍，如圖1（b）所示，代替了傳統的金屬腔，在增強輻射的同時能夠抑制陣列中單元之間的耦合。天線單元的參數如表1所示。

圖1 天線單元結構

表1 天線單元結構參數/mm

為了深入了解天線的工作方式，利用HFSS仿真軟件分析偶極子長短枝節長度（W和W）和枝節間的間距（）對于天線性能的影響。圖2顯示了不同參數對于天線阻抗帶寬的影響。圖2（a）說明了分支長度對阻抗帶寬的影響。長度的變化主要影響阻抗帶寬的下半頻帶，因為下半頻帶主要是由偶極子兩個枝節間的共振產生的。分支長度的變化對低頻段有很大的影響。為了獲得更好的阻抗帶寬性能，W和W分別設計為2.25 mm和2.6 mm。從圖2（b）可以觀察到，枝節間隙的s也會影響下頻帶的共振頻率。隨著間隙的減小，低頻段的諧振頻率增加，而22.5 GHz的諧振頻率幾乎不變。圖中連續的曲線即為實際采用的天線結構參數，可以看出天線單元在15.5 GHz～23.5GHz的頻段內均小于-10 dB。

圖2 不同參數下天線的阻抗帶寬

圖3展示了天線單元的加工實物及和軸比的測試結果。從結果可以看出，天線單元的參數在低頻附近較為吻合，在22 GHz附近諧振點有一定的偏差，可能是加工精度和誤差的影響。天線最大輻射方向的軸比性能如圖3（c）所示。可以看出，天線的軸比在高頻22 GHz附近表現較好，到低頻時，軸比逐漸增大，這是由于交叉偶極子中心環的長度設置為高頻處的四分之一波長所致。陣列的軸比特性可以通過采用小角度順序旋轉布陣技術改善，實現軸比小于3 dB的特性。

圖3 天線單元的加工實物及S11和軸比的測試結果

2 六十四元天線相控陣設計

應用了小角度順序旋轉布陣技術的天線陣列示意圖和天線實物如圖4所示。相鄰的天線單元共用金屬化過孔，兩個相鄰單元之間的間距為7 mm，約為22.5 GHz時波長的一半。

圖4 應用小角度旋轉布陣

理論上，橢圓極化波能被分解為右旋圓極化波和左旋圓極化波。橢圓極化波的復矢量可以表示為：

其中，

圖5顯示了不同掃描角度下相控陣的峰值增益和軸比特性。從圖5可以看出，隨著頻率的增加，陣列的增益也隨之增加，掃描角theta=0°時，陣列的平均增益為21.3 dBi；掃描到±60°時，陣列的增益基本大于15 dBi。由于采用了小角度順序旋轉技術，64元的陣列在軸比特性上表現良好，從15.5 GHz到23.5 GHz，掃描角度±60°，在phi=0°和phi=90°平面內，陣列的軸比基本均小于3 dB。

圖5 相控陣天線的軸比（AxialRatio）和右旋極化增益（Realized RHCP Gain），掃描角度theta（-60°到60°）

3 結語

本文設計了一種易于集成的低剖面寬帶圓極化交叉偶極子天線陣列。引入了兩個彎曲分支和四個寄生貼片來拓寬阻抗帶寬。用介質基板代替空氣層，使天線陣的剖面高度變低，易于加工和組裝。仿真結果表明，該天線具有41%（15.5 GHz～23.5 GHz）的阻抗寬帶，陣列在phi=0°和phi=90°時可以實現從-60°到60°掃描特性，軸比小于3 dB，增益大于15 dBi。寬阻抗帶寬、大角度掃描和低剖面使該天線陣列在衛星通信的應用中具有優勢。