C波段低剖面雙圓極化微帶陣列天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)

任祥龍 楊承坤 郭慶功

摘 要 ???：設(shè)計(jì)了一種工作在C波段的5×5小型化低剖面雙圓極化微帶陣列天線(xiàn).與傳統(tǒng)的陣列相比，通過(guò)相鄰2×2子陣列的貼片交錯(cuò)，可以縮小單元間距，實(shí)現(xiàn)小型化;采用兩個(gè)T型功分器饋電網(wǎng)絡(luò)，同層分布，可以拓展帶寬.測(cè)試結(jié)果表明，左右旋圓極化的阻抗帶寬（VSWR<2）和軸比帶寬（AR<3 dB）分別達(dá)到20%和16%，在頻段5.3～6.36 GHz內(nèi)，左右旋增益最大值為15.2 dBi.天線(xiàn)陣列尺寸為3.05λ ?0×2.74λ ?0×0.037λ ?0.

關(guān)鍵詞 ：小型化; 雙圓極化; 貼片交錯(cuò); 功分器

中圖分類(lèi)號(hào) ： TN823+.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A DOI ： ?10.19907/j.0490-6756.2023.043003

Miniaturization design of a C-band low profile dual ?circularly polarized microstrip array antenna

REN Xiang-Long， YANG Cheng-Kun， GUO Qing-Gong

（College of Electronics and Information Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

This paper proposes a 5×5 miniaturized low-profile dual circularly polarized microstrip array antenna operating in C-band. Compared with conventional arrays， the element spacing is reduced by the interleaving of patches of adjacent 2×2 sub-arrays and the miniaturization of array antenna is realized.Two T-type power divider feed networks distributed on the same layer are used to expand the bandwidth.The measurement results show that the impedance bandwidth （VSWR<2） and axial ratio bandwidth （AR<3 dB） of left and right circular polarization are 20% and 16%， respectively. In the frequency band of 5.3～6.36 GHz， the maximum gain of left and right circular polarization is 15.2 dBi. The size of antenna array is 3.05λ ?0×2.74λ ?0×0.037λ ?0.

Miniaturization; Dual circular polarization; Interlaced patch; Power divider

1 引 言 圓極化天線(xiàn)已廣泛應(yīng)用于許多無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中，包括衛(wèi)星通信和全球定位系統(tǒng)，微帶天線(xiàn)在微波集成和空間技術(shù)領(lǐng)域得到日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，其中寬帶、高增益、低剖面成為實(shí)現(xiàn)圓極化天線(xiàn)的重要指標(biāo)要求.小型化設(shè)計(jì)目前也成為了實(shí)現(xiàn)左旋圓極化（Left-hand Circular Polarization， LHCP）和右旋圓極化（Right-hand Circular Polarization， RHCP）天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一.早期圓極化天線(xiàn)大多采用微帶功分器饋電 ?［1-4］或SIW饋電 ?［5-11］.文獻(xiàn)［1］設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種工作在X波段的低剖面雙圓極化微帶陣列天線(xiàn)，采用多層結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的微帶功分器饋電網(wǎng)絡(luò)，左右旋的阻抗帶寬和軸比帶寬都為14.7%，在帶寬內(nèi)的增益均 大于15.2 dBi，實(shí)現(xiàn)了0.16 λ ??0的剖面高度，4×4陣列尺寸為3.45 λ ??0× 3.45 λ ??0.文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一種寬帶圓極化微帶陣列天線(xiàn)，采用微帶功分器饋電，兩層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了阻抗帶寬大于24.4%，軸比帶寬為16%，但該極化為單圓極化，且4×4陣列尺寸為5.25 λ ??0×5.25 λ ??0×0.148 λ ??0.文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了一種Q波段低剖面雙圓極化陣列天線(xiàn)，采用SIW功分器饋電和3層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了左右旋的阻抗帶寬都為14%，左旋和右旋軸比帶寬分別為12.6%和12%，增益最大值為19.35 dBi，4×4陣列天線(xiàn)尺寸5.7 λ ??0×5.7 λ ??0×0.0957 λ ??0.但由于上述設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，大多采用3層以上結(jié)構(gòu)，一部分設(shè)計(jì)在大尺寸下未能同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙圓極化，一部分設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了雙圓極化，但天線(xiàn)性能較差.故天線(xiàn)尺寸過(guò)大不利于滿(mǎn)足尺寸小型化和低剖面的要求，這兩方面都是需要考慮的因素.

為了解決上述問(wèn)題，基于順序旋轉(zhuǎn)的微帶貼片交錯(cuò)復(fù)合技術(shù)被提出.文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)了一種2×5的雙圓極化微帶陣列天線(xiàn)，采用兩個(gè)分布在同一層的一分二的微帶功分器饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)左右旋圓極化，因采用雙層結(jié)構(gòu)具有0.056 λ ??0的剖面高度.雖然上述設(shè)計(jì)滿(mǎn)足尺寸小和低剖面的要求，但阻抗帶寬和軸比帶寬較窄，增益較低，無(wú)法滿(mǎn)足大多工程的應(yīng)用需求.

為進(jìn)一步拓展帶寬，提高增益，滿(mǎn)足低剖面和小型化要求，本文是在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)饋電微帶陣列天線(xiàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)2×2子陣單元貼片交錯(cuò)復(fù)合來(lái)縮小間距，貼片數(shù)量大大減少；將2個(gè)一分八功分器饋電網(wǎng)絡(luò)在同一層緊湊分布來(lái)降低剖面高度，最終設(shè)計(jì)了一種5×5高增益低剖面雙圓極化微帶陣列天線(xiàn).

2 理論分析

圓極化天線(xiàn)因其可以接收任意極化波，波也可以由任意極化天線(xiàn)接收，具有旋向正交性等特性，正在被廣泛研究和應(yīng)用 ?［13］.因微帶結(jié)構(gòu)具有低剖面、小型化等特點(diǎn)在圓極化天線(xiàn)中也一直是研究的熱點(diǎn).微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化的常見(jiàn)形式有：?jiǎn)勿伔ā⒍囵伔ê投嘣?單饋法利用兩個(gè)輻射正交極化的簡(jiǎn)并模工作，無(wú)需任何外加的相移和功率分配網(wǎng)絡(luò)，該方法一般會(huì)通過(guò)引入微擾實(shí)現(xiàn)圓極化；多饋點(diǎn)利用兩個(gè)饋電點(diǎn)產(chǎn)生TM ?01、TM ?10兩個(gè)極化正交模，幅度相等，相位相差90°，由饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證圓極化工作條件；多元法利用多個(gè)線(xiàn)極化的輻射源，在相位上相差90°，保持振幅不變以獲得圓極化波.

實(shí)現(xiàn)微帶小型化的常用方法主要有以下三種： 開(kāi)槽/開(kāi)縫，加載技術(shù)，采用高介電常數(shù)的材料.開(kāi)槽/開(kāi)縫使貼片表面的電流路徑被切斷，延長(zhǎng)了電流路徑，同樣也減小了天線(xiàn)尺寸；加載技術(shù)，包括開(kāi)路和短路，即在天線(xiàn)的輻射單元上加入額外元件以改變輻射單元上的電流分布.通過(guò)加載，天線(xiàn)的諧振頻率顯著降低，尺寸大大縮減.對(duì)于方形切角微帶貼片天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，邊長(zhǎng) a 估算的公式為：

a= c 2f 0 ??2 ε r+1 ???（1）

其中， f ?0 為天線(xiàn)工作頻率； c 為自由空間的光速； a 為矩形貼片長(zhǎng)度； ε ?r 為基板相對(duì)介電常數(shù).從式（1）可以看出，在中心頻率一定情況下，使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板可以減小天線(xiàn)尺寸.

3 天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

3.1 天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)

天線(xiàn)單元如圖1所示，由4個(gè)方形貼片切角和1個(gè)“環(huán)”狀順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ?［14］，通過(guò)調(diào)整貼片切角尺寸使其能夠?qū)崿F(xiàn)單圓極化.該單元尺寸部分由文獻(xiàn)［12］給出，如表1所示.

3.2 陣列設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)頻帶寬、高增益且為雙圓極化，將2×2結(jié)構(gòu)進(jìn)行組陣.5×5陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用雙層介質(zhì)基板，介電常數(shù)均為3.5，第一層基板和第二層基板的厚度分別為 h ??1=1.5 mm和 h ??2=0.5 mm.天線(xiàn)結(jié)構(gòu)從上到下分別為：輻射貼片、第一層介質(zhì)基板、帶有圓孔的地板、第二層介質(zhì)基板、饋電網(wǎng)絡(luò).輻射貼片共由25個(gè)切角方形貼片和16個(gè)方環(huán)饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，相比于傳統(tǒng)的8×8陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)，該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)是通過(guò)相鄰貼片的復(fù)合，既能實(shí)現(xiàn)雙圓極化，又能大大縮小單元之間的間距.天線(xiàn)陣列間距一般在0.6 λ ??0～0.8 λ ??0，考慮到天線(xiàn)方向圖的副瓣影響，取陣元間距約為 d =0.6 λ ??0.陣列饋電網(wǎng)絡(luò)如圖2b，兩個(gè)一分八的微帶功分器位于同一層介質(zhì)基板上，均采用50 Ω和100 Ω的微帶線(xiàn)，每個(gè)一分八的功分器具有對(duì)稱(chēng)性，在圖2b中的A、B、C、D 點(diǎn)中，A和C點(diǎn)相差180°，B和D點(diǎn)相差180°.端口1和端口2所在功分器網(wǎng)絡(luò)分別實(shí)現(xiàn)右旋圓極化和左旋圓極化，饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片之間通過(guò)金屬柱連接，陣列尺寸3.05 λ ??0×2.74 λ ??0×0.037 λ ??0，其中， λ ??0是中心頻率（5.6 GHz）在自由空間中的波長(zhǎng).

4 陣列仿真與測(cè)試

根據(jù)天線(xiàn)陣列仿真模型的尺寸，加工了5×5雙圓極化微帶天線(xiàn)樣機(jī)，天線(xiàn)實(shí)物如圖3所示.駐波仿真與測(cè)試結(jié)果如圖4所示，軸比的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖5所示，增益的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖6所示，陣列仿真和測(cè)試方向圖如圖7所示.

由上圖可以得到，天線(xiàn)陣列左右旋駐波測(cè)試結(jié)果與仿真基本一致，在5.2～6.36 GHz頻帶內(nèi)駐波比均小于2，駐波帶寬達(dá)到20%，可以看出，頻率往高頻移動(dòng)，這可能是因?yàn)椴捎玫慕橘|(zhì)基板介電常數(shù)值變小的原因；在5.2～6.12 GHz頻帶內(nèi)，左右旋軸比均小于3 dB，軸比帶寬達(dá)16%，測(cè)試結(jié)果略小于仿真結(jié)果，這可能是因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)試時(shí)待測(cè)圓極化天線(xiàn)并未與發(fā)射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)的影響.

在5.3～6.36 GHz頻段內(nèi)，左右旋仿真增益均大于13 dBi，增益最大值為16.7 dBi.在5.3～6.36 GHz頻段內(nèi)，左右旋測(cè)試增益均大于11 dBi，增益最大值為15.2 dBi，測(cè)試增益較仿真增益低2 dB，這可能是因?yàn)閷?shí)際測(cè)試中饋電網(wǎng)絡(luò)的誤差和未與發(fā)射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)的原因.表2給出了本文工作和其他幾種雙圓極化天線(xiàn)的比較，可以看出，本文采用新型的貼片陣列組合方式，使得天線(xiàn)尺寸進(jìn)一步縮小，不僅獲得了雙圓極化特性，而且實(shí)現(xiàn)了較寬的帶寬、較高的增益和更低的低剖面.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種工作在C波段的具有小型化特性的低剖面雙圓極化微帶陣列天線(xiàn)，采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)和微帶功分器饋電網(wǎng)絡(luò)，拓展了天線(xiàn)帶寬；通過(guò)相鄰單元的復(fù)合減小間距，實(shí)現(xiàn)了小型化. 由測(cè)試結(jié)果得出，左右旋駐波帶寬達(dá)到20%，軸比帶寬達(dá)16%， 增益最大值為15.2 dBi.天線(xiàn)陣列尺寸3.05 λ ??0×2.74 λ ??0，該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)具有0.037 λ ??0的低剖面特性，在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用場(chǎng)景.

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