趙紅霞

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

多 層 雙 極 化 天 線(xiàn) 陣 列 設(shè) 計(jì)

趙紅霞

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

設(shè)計(jì)了一款采用H形縫隙耦合的多層雙極化微帶天線(xiàn)陣。采用HFSS 軟件仿真，優(yōu)化天線(xiàn)帶寬及隔離度交叉極化等性能。經(jīng)計(jì)算，該天線(xiàn)在駐波比< 2 時(shí)，兩個(gè)極化可分別覆蓋(8.25 ～9.85) GHz和(8.25～10.05)GHz的工作頻段，即具有帶寬>17.6% 及隔離度>32 dB的性能，而且相對(duì)探針饋電形式結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、更易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

移動(dòng)通信系統(tǒng); 多層雙極化天線(xiàn)； 陣列

雙極化天線(xiàn)可以在一個(gè)口面內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩副極化方向相互正交的天線(xiàn)性能，并保持相互獨(dú)立的工作模式[1-8]，因此，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省天線(xiàn)數(shù)量。一般全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication, GSM)的定向基站(3扇區(qū))要使用6根天線(xiàn)，每個(gè)扇形使用2根天線(xiàn)(空間分集，一發(fā)兩收)，如果使用雙極化天線(xiàn)，每個(gè)扇形只需要1根天線(xiàn)。另外,雙極化天線(xiàn)具有電調(diào)天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信網(wǎng)中使用雙極化天線(xiàn)，同電調(diào)天線(xiàn)一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)、外主要將雙極化天線(xiàn)的研究重點(diǎn)放在增加不同端口隔離、展寬天線(xiàn)的頻帶寬度和增加交叉極化隔離問(wèn)題的討論上[9-11]。文獻(xiàn)[12]中對(duì)每個(gè)極化端口都采用探針?lè)绞金侂?，端口隔離度數(shù)值<-20 dB，交叉極化數(shù)值<-31 dB，但是，探針會(huì)產(chǎn)生寄生電感性，使得天線(xiàn)帶寬變窄。為了展寬帶寬，文獻(xiàn)[13]中采用了一種L型探針結(jié)構(gòu)的耦合饋電方式，使用探針和貼片天線(xiàn)間耦合出的寄生電容，抵消了探針引入的感性，但是，垂直結(jié)構(gòu)天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，產(chǎn)品可靠性不高[14-15]。

本文選取多層縫隙耦合的雙極化微帶陣列天線(xiàn)進(jìn)行研究，通過(guò)采用基于有限元法的高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在X頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了具有隔離度<-32 dB和-33 dB的交叉極化性能1×2單元的雙極化陣列設(shè)計(jì)。

1 多層縫隙耦合雙極化天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)

天線(xiàn)單元采取H型縫隙耦合微帶方形貼片形式，其具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該結(jié)構(gòu)包括2層微帶介質(zhì)板、2層泡沫夾層及1個(gè)金屬反射板。第1層介質(zhì)板僅正面是輻射貼片。由于H型縫隙具有比矩形縫隙更小的尺寸，故本設(shè)計(jì)第2層的介質(zhì)板正面采用兩個(gè)互相垂直的H型縫隙，背面是對(duì)縫隙耦合饋電的微帶饋線(xiàn)，兩條饋線(xiàn)分別激勵(lì)兩個(gè)正交的主模TM01和TM10,從而形成雙極化的空間輻射。介質(zhì)板厚度都為0.508 mm，介電常數(shù)2.2，2個(gè)垂直縫隙的尺寸一致，用a、b表示。第1和第2層介質(zhì)板之間垂直高度約為3 mm，為了獲得單向輻射，金屬反射板距離第2層介質(zhì)板高度約為1/4波長(zhǎng)，即λ/4=8.33 mm。

圖1 雙饋點(diǎn)圓極化天線(xiàn)示意圖

H形耦合縫隙的尺寸及耦合饋電的微帶線(xiàn)與縫隙間的位置關(guān)系將對(duì)天線(xiàn)的輻射頻率及駐波比大小產(chǎn)生較大的影響，采用基于有限元法的HFSS軟件對(duì)天線(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)過(guò)程不再贅述。微帶饋線(xiàn)寬度為1.6 mm，縫隙尺寸a=3.6 mm，b=4.6 mm。圖2所示為兩個(gè)極化端口的駐波比曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，水平極化端口，駐波比< 2的帶寬達(dá)到16%，(8.38～ 9.78)GHz頻段內(nèi)；垂直極化端口，駐波比< 2的帶寬為21%，(8.1 ～10.05)GHz頻段內(nèi)。

圖2 計(jì)算的單元駐波比曲線(xiàn)

圖3所示為兩端口隔離度仿真結(jié)果。由圖可見(jiàn)，天線(xiàn)單元端口在(8.0 ～ 10.05)GHz的設(shè)計(jì)頻段內(nèi)隔離度>38 dB，再次證明縫隙耦合的方式可以較好地增加端口的隔離度。

圖3 單元的兩端口隔離度曲線(xiàn)

圖4所示為天線(xiàn)中心頻率水平極化和垂直極化的輻射方向圖。由圖可見(jiàn)，添加金屬反射板后，該天線(xiàn)呈單向輻射，最大增益均大于8 dB，兩波束寬度大于70°；圖中添加了5 dB數(shù)值線(xiàn)。

(a) 水平極化輻射

(b) 垂直極化輻射

圖4天線(xiàn)單元計(jì)算方向圖

Fig.4 Simulated radiation pattern of antenna unit

2 雙極化天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

圖5所示為二元X波段雙極化高隔離度多層微帶天線(xiàn)陣平面示意圖。圖中，水平端口1和垂直端口2都使用簡(jiǎn)潔的并聯(lián)結(jié)構(gòu)饋電，可以確保駐波比帶寬的指標(biāo)，改善每個(gè)單元激勵(lì)電流的相位和幅度的均勻性。由圖可見(jiàn)，在保證不出現(xiàn)柵瓣的前提下，饋線(xiàn)間預(yù)留了大于3個(gè)饋線(xiàn)寬度的距離，從而抑制了微帶線(xiàn)之間、微帶線(xiàn)和天線(xiàn)之間的互耦影響。

圖5 2單元陣列天線(xiàn)平面示意圖

圖6所示為二單元天線(xiàn)陣駐波比參數(shù)曲線(xiàn)圖。由圖可見(jiàn)，水平極化端口1在(8.25 ～ 9.85)GHz頻帶內(nèi)滿(mǎn)足駐波比 < 2，帶寬達(dá)到17.6%；垂直極化端口2在(8.25 ～ 10.05)GHz頻帶內(nèi)滿(mǎn)足駐波比 < 2，帶寬達(dá)到19.7%。

圖6 計(jì)算的陣列駐波比曲線(xiàn)

圖7所示為陣列天線(xiàn)兩端口間隔離度的計(jì)算曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，在(8.0～10.05) GHz頻帶內(nèi)兩端口的隔離度>32 dB，比單元天線(xiàn)的隔離度計(jì)算結(jié)果差6dB。這是由于同相位等幅組陣后，兩貼片的TM02和TM20模激勵(lì)起的輻射場(chǎng)將相互疊加，導(dǎo)致兩單元間的耦合增加，隔離度性能變差。

圖7 陣列的兩端口隔離度曲線(xiàn)

圖8給出了水平極化陣列天線(xiàn)在E面和H面的主極化及交叉極化方向圖。由圖可見(jiàn)，天線(xiàn)最大增益為11.0 dB,在最大輻射方向交叉極化均小于-33 dB，具有較好的交叉極化特性。根據(jù)計(jì)算，垂直極化陣列的主交叉極化在最大輻射方向也小于-35 dB,與水平極化陣列性能相當(dāng)。由于篇幅所限，本文中方向圖不再給出。

(a) H面

(b) E面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款多層H形縫隙耦合的雙極化天線(xiàn)陣列。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明，該天線(xiàn)在兩個(gè)極化方向分別具有較寬的帶寬及較好的交叉隔離度，相較探針直接饋電具有相當(dāng)?shù)碾娦阅?；縫隙耦合形式工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

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Design of Stacked Dual-Polarized Antenna Array

ZHAOHongxia

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306， China)

A stacked H slot-coupled dual-polarization antenna array is designed and studied. The simulation results including standing wave ratio (SWR) and radiation patterns are obtained and presented with the software tool HFSS. The simulation shows that, when the value of SWR is less than 2, the array covers a band of 8.25 GHz～9.85 GHz and 8.25 GHz～10.05 GHz corresponding to two different polarizations respectively. The level of isolation between two ports is better than 32 dB, showing good radiation performance both in horizontal and vertical directions. Compared with the probe-fed, the slot coupling structure is more stable and easily realized, suitable for engineering use．

mobile communication system; multilayer dual-polarized antenna; array

2017 -09 -03

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(17ZR14111000)

趙紅霞(1983-)，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)光器件中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，E-mail: zhaohx@sdju.edu.cn

2095-0020(2017)05 -0255-04

TN 820.15

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