李琳，萬(wàn)繼響

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710000）

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Ku頻段雙極化縫隙耦合微帶天線設(shè)計(jì)

李琳，萬(wàn)繼響

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710000）

摘要：綜合運(yùn)用縫隙耦合饋電技術(shù)、雙線饋線技術(shù)和引入空氣層等方式展寬了天線的頻帶，設(shè)計(jì)并仿真出一種工作在Ku頻段“H”形縫隙耦合饋電的雙極化微帶天線。天線采用多層結(jié)構(gòu)，減小了天線尺寸，天線單元的“H”形狀耦合槽垂直放置，提高了兩饋電端口的隔離度，兩端口同時(shí)饋電并電控調(diào)整饋電強(qiáng)度，從而合成線極化指向可變的輻射場(chǎng)。用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)天線陣的電特性進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，結(jié)果表明：天線單元工作在12.25～12.75 GHz頻率范圍內(nèi)，中心頻點(diǎn)處增益為8.27 dB，回波損耗小于-10 dB時(shí)，相對(duì)阻抗帶寬為10.1%，兩個(gè)極化端口隔離度在40 dB以上。

關(guān)鍵詞：微帶天線；H形縫隙耦合；雙極化；高隔離度

微帶天線具有體積小、重量輕、易共形、易于加工以及易與有源器件及電路集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在通信、導(dǎo)航、引信等方面獲得了廣泛應(yīng)用。但是其固有的頻帶窄，功率容量低，限制了在諸多方面的應(yīng)用［1］。

近年來(lái)許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何擴(kuò)展微帶天線的帶寬問(wèn)題做了大量研究，也提出了許多行之有效的方法?？p隙耦合微帶天線是Pozar在1984年首先提出的，與傳統(tǒng)的同軸饋電或側(cè)饋相比，縫隙耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是其饋電網(wǎng)絡(luò)和無(wú)源輻射單元分別安置在兩層介質(zhì)板上，可以分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且輻射部分與饋線部分隔開(kāi)，饋線的寄生輻射弱，便于大規(guī)模組陣；同時(shí)又有足夠的帶寬的隔離度，更容易形成雙極化天線［2］。Yazjdj等人基于傳輸線模型分析驗(yàn)證了多種不同的縫隙形狀對(duì)耦合強(qiáng)度的影響，并指出與相同尺寸的矩形縫隙相比，H形的縫隙可以得到比較大的耦合量，容易實(shí)現(xiàn)微帶天線的寬頻諧振，具有良好的交叉極化性能。本文基于口徑耦合的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)分析了一種工作在Ku頻段的H形縫隙耦合雙極化微帶天線，并獲得了寬頻帶、高增益、高隔離度的天線單元，便于與微波電路集成或組成天線陣，進(jìn)而研究該單元輻射任意線極化指向的電磁波的特性，滿足在衛(wèi)星通信、測(cè)控等領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

1　天線單元的設(shè)計(jì)

在HFSS軟件中建立微帶天線的模型如圖1所示。天線由兩層介質(zhì)板、微帶貼片、微帶饋線及開(kāi)在接地板上的耦合縫隙組成。天線的輻射貼片和饋線分別位于其上蝕刻有H形耦合縫隙的接地板兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)有3大優(yōu)點(diǎn)：一方面，接地板可以屏蔽來(lái)自饋線的寄生輻射，避免其對(duì)天線上半部分的輻射方向圖產(chǎn)生干擾；其次，增大了饋電網(wǎng)絡(luò)的布線空間；最后，我們可以分別對(duì)輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于高性能的微帶天線陣列的設(shè)計(jì)尤為有利，特別是大型低副瓣微帶天線陣。

微帶縫隙天線的基本模型，是在微帶線的金屬地平面上蝕刻單個(gè)縫隙或縫隙陣列作為輻射單元，縫隙與微帶饋線垂直相交。電磁波通過(guò)微帶饋線傳播到縫隙處耦合激勵(lì)該縫隙向外輻射能量，如圖1所示。

圖1　天線剖面結(jié)構(gòu)

為了提供清楚直觀的物理模型，下面介紹微帶縫隙天線的等效網(wǎng)絡(luò)模型。縫隙輻射的功率可以表示為一個(gè)位于縫隙中心處的等效輻射電阻的形式，以下討論取饋線和縫隙相互垂直的情況。需要注意的是該模型并不能直接用于縫隙天線的設(shè)計(jì)，只可以作為縫隙天線輻射原理的一種理解。圖1中，Ls和Ws代表輻射縫隙的長(zhǎng)度和寬度，Wf為微帶線的寬度，h為介質(zhì)板厚度。如圖2所示，微帶縫隙天線可以看作是一條不連續(xù)結(jié)構(gòu)的微帶線。它包括一個(gè)理想變壓器，一個(gè)輻射導(dǎo)納和一條兩端短路終止的縫隙線。

根據(jù)縫隙耦合微帶天線的傳輸線法，可以初步確定天線的幾何尺寸（包括貼片與2個(gè)縫隙的長(zhǎng)寬和饋線調(diào)諧枝節(jié)的長(zhǎng)度），天線單元的等效電路如圖2所示。

圖2　二端口網(wǎng)絡(luò)模型和等效電路模型

式中：n1為縫隙和貼片的耦合系數(shù)；n2為饋線和縫隙的耦合系數(shù)；Ypatch和Yap分別為貼片和縫隙的導(dǎo)納［3］。

式中：L為天線單元長(zhǎng)度；x為縫隙的位置。

通過(guò)在貼片中心對(duì)應(yīng)的地面上開(kāi)縫，改變了地面上的電流，由于此處電流為最大，從而使得通過(guò)縫隙到貼片產(chǎn)生最大耦合［4］。對(duì)于一次模，電流沿著長(zhǎng)度方向流動(dòng)，這意味著要達(dá)到最大激勵(lì)，需將縫隙垂直于電流流動(dòng)方向放置，這與波導(dǎo)中的縫隙一致。傳統(tǒng)的微帶天線直接從諧振邊進(jìn)行饋電，饋線和貼片的接觸導(dǎo)致了輻射的降低，惡化了天線的輻射場(chǎng)，而且存在較大的寄生干擾，設(shè)計(jì)采用縫隙耦合饋電的微帶天線可有效解決這個(gè)問(wèn)題。這樣就形成三層結(jié)構(gòu)。貼片位于最頂層，單元寬度越大，諧振頻率越低，合理調(diào)整貼片邊長(zhǎng)的大小，可以控制縫隙耦合微帶天線的中心工作頻率。地面上包含了耦合孔縫，通常為了達(dá)到最大耦合，該孔縫位于貼片中心下方，為使得縫隙輻射引起的后向輻射降到最低，縫隙的長(zhǎng)度在能滿足阻抗匹配的前提下越小越好；第3層包含了微帶傳輸線，其與貼片共用地面，位于孔縫中心下方以達(dá)到最大的耦合。貼片與接地板之間為上層介質(zhì)，媒質(zhì)參數(shù)影響天線的阻抗帶寬：介電常數(shù)εr1越低，厚度h1越厚，頻帶越寬，但是厚度的增加會(huì)使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強(qiáng)，為了減小輻射損耗，降低表面波的影響，因此需折衷考慮；而饋線與接地板之間的介質(zhì)板為下層介質(zhì)，則要選擇較薄的高介電常數(shù)介質(zhì)板。增強(qiáng)介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的束縛來(lái)減小后向輻射，同時(shí)減小背面饋電微帶線寬從而減少饋線雜散輻射的干擾［5］。結(jié)構(gòu)中各尺寸標(biāo)注如圖3所示，調(diào)節(jié)天線的物理尺寸，分析天線在Ku波段的極化特性。

圖3　縫隙耦合微帶天線單元形式

兩層介質(zhì)板之間的接地板上刻蝕等長(zhǎng)的正交放置的H形縫隙?？p隙的長(zhǎng)度主要決定著饋線和貼片之間的耦合量?？p隙長(zhǎng)度Ls和Lb縫隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)，諧振頻率降低，諧振電阻增加，這表明，貼片與饋線之間能量耦合能力增強(qiáng)，但過(guò)長(zhǎng)的縫隙還將引起較大的后向輻射，在滿足天線帶寬的條件下，縫隙的尺寸應(yīng)該越小越好，這樣能減少背向輻射［6］?？p隙寬度Ws和Wb對(duì)于天線的諧振電阻和諧振頻率也有很大的影響，但為了減小背向輻射，一般把縫隙寬度限制在一個(gè)很小的值，不會(huì)去大范圍的改變寬度的尺寸。從縫隙耦合微帶天線的縫隙朝下看，在縫隙中心以上的部分為匹配支節(jié)S。調(diào)整匹配支節(jié)長(zhǎng)度S可改變縫隙耦合微帶天線的輸入電阻，可同時(shí)調(diào)整匹配支節(jié)的長(zhǎng)度S與縫隙長(zhǎng)度Ls以調(diào)整縫隙耦合微帶天線的匹配程度，若調(diào)節(jié)兩者仍不能使縫隙耦合微帶天線的達(dá)到匹配，可以進(jìn)一步改變匹配支節(jié)的寬度Ws。饋線寬度Wf對(duì)微帶天線的諧振頻率和饋線與貼片的耦合度影響較大［7］。

2　雙極化微帶天線的仿真分析

采用H形縫隙耦合饋電時(shí)，首先要估算H形縫隙以及微帶饋源的各個(gè)部分的尺寸，確定初始模型，然后通過(guò)仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化［8］。對(duì)“H”形縫隙的初始尺寸的估算可借鑒小長(zhǎng)方形縫隙的經(jīng)驗(yàn)公式。雙極化天線單元設(shè)計(jì)中，小長(zhǎng)方形縫隙可能是最早應(yīng)用于介質(zhì)諧振器天線饋電的縫隙。關(guān)于小長(zhǎng)方形縫隙初始尺寸可通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：

εr和εs分別是介質(zhì)諧振器天線與介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)。

λg為微帶線在設(shè)計(jì)頻點(diǎn)的波導(dǎo)波長(zhǎng)。

根據(jù)縫隙電場(chǎng)分布路徑可以推斷出在相同條件下，“H”形縫隙的初始長(zhǎng)度計(jì)算公式為：e

上層介質(zhì)為空氣層，選用介電常數(shù)為1的泡沫，下層介質(zhì)選用Rogers RT/durojd 5880，介電常數(shù)為2.2。

表1　天線單元尺寸

經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后，圖4為兩端口的駐波、反射系數(shù)S11和S22以及端口隔離度S21的仿真結(jié)果，由圖中可以看出，天線單元在12.5 GHz時(shí)的增益為8.27 dB，兩端口的隔離度在40 dB以上，水平極化端口的交叉極化電平在30 dB以上。

圖4　天線端口S參數(shù)和天線方向圖

3　結(jié)論

通信和雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)天線提出了越來(lái)越高的要求。為了增加通信容量，要求天線為雙極化工作，并且得到比較寬的工作頻帶。本文介紹了利用HFSS軟件對(duì)Ku頻段雙極化微帶天線的建模仿真，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種基于H形縫隙耦合的寬帶雙極化微帶天線。采用層疊貼片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬頻帶輻射，結(jié)合縫隙耦合的饋電方式展寬天線的阻抗帶寬，克服了傳統(tǒng)微帶天線工作頻帶窄的缺點(diǎn)；利用H形縫隙耦合饋電方式實(shí)現(xiàn)雙極化，提高了頻譜利用率，可用于解決當(dāng)前頻譜資源緊張的問(wèn)題；水平和垂直極化方向分別采用改變傳輸線長(zhǎng)度和增加調(diào)配枝節(jié)的布線方式實(shí)現(xiàn)陣元的等幅同相饋電與阻抗匹配，方便天線的調(diào)試［9］。結(jié)果表明：接收天線單元工作在12.25～12.75 GHz頻率范圍內(nèi)，增益為8.27 dB，回波損耗小于-10 dB時(shí)，相對(duì)阻抗帶寬為10.1%，兩個(gè)極化端口隔離度在40 dB以上，并且天線具有體積小和增益大等優(yōu)點(diǎn)。

圖5　一端口E面和H面的交叉極化方向圖

圖6　2端口E面和H面的方向圖

參考文獻(xiàn)：

［1］Rodrjgo Manrjque，Roberto Torres，César Domínguez . Desjgn and Prototypjng of a Mjcrostrjp Transmjt -Recejve Array Antenna for Mobj1e Ku-Band Sate11jte Termjna1s［C］. Proc. of European Conference on Antenna and Propagatjons，2011：12-16.

［2］Pozar D M. A mjcrostrjp antenna aperture coup1ed to a mjcrostrjp 1jne［J］. E1ectronjcs Letters，1985：49-50.

［3］黃盈椿，李倩，呂曉德.高隔離度雙極化微帶天線陣的設(shè)計(jì)：電子測(cè)量技術(shù)，2006，12：29-31.

［4］林錚，李偉明，任武，薛正.H形縫隙耦合雙極化微帶天線陣設(shè)計(jì)分析［J］.微波學(xué)報(bào)，2012：91-93.

［5］張輝.基于H形縫隙耦合的寬帶雙極化微帶天線［C］.2009年全國(guó)天線年會(huì)論文集.2009：304-307.

［6］李進(jìn)，施偉.Ku波段任意線極化天線單元的仿真設(shè)計(jì)［C］.2007年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集，2007：346-349.

［7］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.1991.

［8］Rostan F，Wjesbeck W.Desjgn consjderatjons for dua1 po1arjzed aperture-coup1ed mjcrostrjp patch antennas［J］.Antennas and Propagatjon Socjety Internatjona1 Symposjum，1995（4）：2086-2089.

［9］Tjezzj F，Vaccaro S，L1orens D.Ku-band Hybrjd Phased Array Antennas for Mobj1e Sate11jte Communjcatjon Systems［C］. 2013，7th，European conference on antenna and propagatjon （EUCAP）. 2013（4）：1605-1608.

Deslgn of a dual-Polarlzed slot-couPled mlcrostrlP antenna at Ku-band

LI Ljn WAN Jj-xjang
（China Acandemy of Space Technology（Xi'an），Xi'an 710000，China）

Abstract:Thjs paper desjgn a dua1-po1arjzed mjcrostrjp antenna by usjng the feedjng sty1e of a H-shaped coup1jng s1ot at Ku band. The aperture-coup1ed feedjng，dua1 -1jnes feedjng and jnsertjng of the ajr 1ayer techno1ogjes are adopted to achjeve wjder bandwjdths. The antenna uses mu1tj-1ayer dje1ectrjcand H-type s1ot-coup1ed structure. By feedjng sjmu1taneous1y and modjfy the ratjo，we obtajn a arbjtrary po1arjzed mjcrostrjp antenna .The gajn jn the band js greater than 8.27dB. The desjgned jso1atjon js better than 40 dB wjth cross. The optjmjzatjon resu1t shows that the jmpedance bandwjdth（S11＜-10dB）of the antenna array js 10.1%.

Key words:mjcrostrjp antenna；H-type s1ot coup1ed；dua1-po1ar；hjgh jso1atjon

中圖分類號(hào)：TN822+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0182-04

收稿日期：2015-04-17稿件編號(hào)：201504185

作者簡(jiǎn)介：李琳（1990—），女，陜西渭南人，碩士研究生。研究方向：微帶陣列天線。