一種寬帶小型化雙極化印刷振子天線的設計

張 青，夏 翔，趙 旭，徐遠超，金志峰

（中國航天科工集團8511 研究所， 江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著通信和雷達的快速發展，天線對尺寸和帶寬都有較為嚴格的要求，印刷偶極子天線具有質量輕、體積小、成本低、便于排陣等優點，在雷達和通信等領域得到了廣泛應用，特別是用作接收天線。而在蜂窩電話、全球定位系統（GPS）、合成孔徑雷達（SAR）、衛星通信、個人通信、近場測量系統等領域，都需要輕質量、低輪廓、制造簡單的寬頻帶雙極化的天線。

雙極化天線能發射或接收2 個正交極化的電磁波，因此在同一帶寬內，天線可以發射2 種信號，這有利于頻率復用或者收發同時工作。除了要保證天線的頻帶寬度、增益、波束寬度以及前后比等指標外，需要特別考慮的是每種極化的交叉極化電平以及天線尺寸［1-3］。

由于天線本身的多性能和工程應用背景，盡管已有大量對寬帶天線和雙極化天線的研究，但同時滿足通信天線電路參數和輻射參數標準的寬帶雙極化天線卻很少。

1 天線設計

本文介紹了一種工作于X 頻段的雙極化印刷振子天線，能在最大限度范圍內達到多項指標的均衡性，同時降低了天線的復雜度、損耗和成本，實現天線的小型化及良好的輻射性能。本天線結構圖如圖1 所示，由印刷振子輻射器、饋電巴倫及反射腔體組成。天線通過介質印刷的方式實現小型化，天線尺寸為?20 mm×h10 mm。

圖1 印刷振子天線結構圖

天線輻射器是由2 對印刷振子臂組成，分別為水平極化輻射器和垂直極化輻射器，每對振子之間通過多層板饋線實現互連，水平極化輻射器饋線和垂直極化輻射器饋線分層交錯。

天線的饋電巴倫連接器實現平衡-不平衡轉換以及SMA-K 輸出口一體化設計。饋電巴倫連接器從反射腔底面中心向上穿出，安裝在反射腔底面，頂部探針穿過輻射器中心2 個金屬化通孔，分別與2 對印刷振子臂焊接。印刷振子為雙向輻射結構，通過在天線底部加金屬反射板實現天線的定向輻射。

2 天線仿真

天線采用某電磁場分析軟件進行仿真分析。天線在軟件中的仿真模型如圖2 所示。天線在8～12 GHz 的頻段內進行仿真，針對計算的結果分析，調整模型的結構尺寸以進行優化設計，直到輸出滿意的結果，在調整天線模型尺寸時，要考慮實際工程的應用以及加工精度的要求。

圖2 印刷振子天線仿真模型

天線仿真駐波圖如圖3 所示。

圖3 天線駐波

天線圓極化增益方向圖如圖4—13 所示。

圖4 8 GHz 方位面增益方向圖

圖5 9 GHz 方位面增益方向圖

圖6 10 GHz 方位面增益方向圖

圖7 11 GHz 方位面增益方向圖

圖8 12 GHz 方位面增益方向圖

圖9 8 GHz 俯仰面增益方向圖

圖10 9 GHz 俯仰面增益方向圖

圖11 10 GHz 俯仰面增益方向圖

圖12 11 GHz 俯仰面增益方向圖

圖13 12 GHz 俯仰面增益方向圖

天線增益仿真值如表1 所示。

表1 天線增益仿真值

可以看出，天線端口駐波在8～12 GHz 頻帶內小于2。天線方位面±70°增益大于-0.37 dB，俯仰面增益±70°增益大于-0.9 dB，軸向增益大于6.1。

3 天線測試

根據仿真優化的結果制作了實物模型，在暗室進行增益方向圖測試，天線駐波如圖14 所示，考慮到天線增益方向圖在方位面和俯仰面基本一致，測試結果僅給出方位面增益方向圖，測試結果如圖15 —19所示。

圖14 天線單元駐波圖

圖15 f=8 GHz 方向

圖16 f =9 GHz 方向圖

圖17 f =10 GHz 方向圖

圖18 f =11 GHz 方向圖

圖19 f =12 GHz 方向圖

天線增益測試值如表2 所示。

表2 天線實測增益統計表

實測結果表明，雙極化印刷振子天線軸向實測增 益大于5.16 dB，±70°增益大于-1.2 dB。天線結構簡單緊湊，方向性、圓極化性能優良，帶寬完全能滿足要求，天線的設計滿足了實際工程的需要。

4 結束語

本文在普通雙極化印刷振子結構基礎上，研制了一種改進的寬帶寬波束雙極化天線。該天線通過多層印制結構實現雙極化饋電，在寬角域內增益大于-1.2 dB，軸向增益大于5.16 dB，實現了天線輕量及小型化，可為寬帶寬波束雙極化天線的進一步研究和設計提供一種新的實現方式。