一种双馈正交极化天线阵的设计

1 引言

圆极化天线被广泛应用于通信，雷达，电子测量，广播电视等领域。双馈正交极化特性在移动通信和卫星接收等领域也非常重要。圆极化和双极化微带天线具有低剖面特性，因此这方面的研究备受重视。

国内外已经有不少双馈正交极化天线阵的研究，其中双极化探针馈电多层微带贴片天线阵被广泛应用。采用探针馈电非常有利于天线和馈电网络之间的阻抗匹配，但是不利于大型天线阵的加工。微带线共面馈电贴片天线阵具有同样的问题，共面馈电形式的两套馈电网络非常不容易布阵。缝隙耦合双极化微带天线阵减小了贴片因馈线影响产生的交叉极化，但馈电网络位于同一层时，组阵仍然困难。

本文采用微带线和缝隙耦合分别激励单片矩形贴片的两个正交基模模和辐射，贴片与馈电网络结构的对称性保证了两种馈电端口很好的隔离度，实现正交极化时具有好的隔离度，形成圆极化时得到好的轴比；同时馈电网络位于不同层，因此易于组成大阵列。首先对工作于8.64GHz的双馈单元天线设计，然后设计了两种4´4的天线阵，用于研究两个馈源之间的隔离度和形成圆极化时的轴比。研究结果表明，两正交极化馈源端口隔离度大于40dB，交叉极化小于-22dB，形成圆极化天线时，获得轴比小于3dB的带宽为6%。

2 正交极化贴片单元设计

本文选择矩形微带贴片作为辐射单元，分别采用微带线和缝隙耦合分别激励单片矩形贴片的两个正交基模模和辐射。天线结构如图1所示，由三层结构组成，从上到下分别为：第一层的介质板上表面蚀刻着辐射贴片和共面馈电的微带线，第二层是开了矩形缝隙的接地板，第三层介质板下表面分布着缝隙耦合馈电的微带线。介质板采用厚度为0.813mm的RO4003（）。

图1 天线单元结构图

为保证两馈源之间的隔离以及辐射极化纯度，与贴片共面的微带线馈线在贴片辐射边的中心馈电，采用两级四分之一阻抗变换线进行阻抗匹配，而不是嵌入式馈电。而用于耦合另一极化馈电的缝隙则是置于贴片正中心位置。天线的中心频率设计为8.64GHz，通过对影响天线单元性能的各个参数的计算和优化，得到一组最优的天线单元尺寸如下：辐射贴片的尺寸是8.9mm´7.2mm，接地板上的缝隙尺寸为1mm´5mm，微带馈线阻抗为100W。天线单元的回波损耗的仿真结果如图2所示，结果显示，1端口和2端口回波损耗小于-10dB的带宽分别为1.4%和2.2%。1端口和2端口之间的耦合小于-50dB，具有很高的隔离度。图3为两端口分别馈电时天线E面辐射方向图，可以看出两个正交极化情况下，天线的交叉极化分别为-29dB和-33dB。当贴片单元两正交极化辐射的馈电相位差达到±p/2的时候，可以实现圆极化。圆极化时的轴比仿真结果如图4所示，从图中可以看出，轴比小于3dB的带宽从8.2GHZ开始，远远大于阻抗带宽。如果采取宽带的多节阻抗匹配转换线，天线单元则可以获得较宽的阻抗带宽，且阻抗带宽内均有很好的轴比特性。

图2 单元天线的回波损耗

图3 天线单元E面方向性图

图4 单元天线的轴比

3 4´4双馈正交极化天线阵的设计

由于天线单元的两馈电微带线分别设计在不同层面，因此采用功分器进行并馈，很容易扩展为天线阵列。本文对4´4的正交极化天线阵进行设计，对给定极化的馈电，在主极化方向进行同幅同相馈电，而在交叉极化方向则采用对称结构，进行同幅反相馈电，进一步抑制交叉极化，提高两馈电端口的隔离度。天线结构如图5所示。天线S参数的仿真结果如图6所示，图中显示天线两个馈电端口的回波损耗仿真值为别为2.3%和1.2%，端口1和端口2的隔离度大于40dB。图7为两端口分别馈电时得到的E面方向图，可以看出两正交极化情况下，天线的交叉极化分别为-26dB和-22dB。当两端口馈电幅相相位满足阵列圆极化条件时，得到轴比的仿真结果如图8所示，显示出小于3dB的轴比带宽达到6%。

图5 4x4天线阵列结构图

图6 4x4天线阵列的S参数

图7 4x4天线阵列的辐射方向图

图8 天线的轴比仿真值

4 结论

本文设计的双馈正交极化天线阵采用最基本的矩形贴片作为天线单元，采用放置于不同层的微带线和缝隙耦合分别激励单片矩形贴片的两个正交基模模和辐射。贴片与馈电网络结构的对称性从根本上保证了两种馈电端口很好的隔离度和很小的交叉极化。设计的天线单元两个端口的交叉极化分别为-29dB和-33dB，4´4天线阵两个端口的交叉极化分别为-26dB和-22dB.本设计结构简单，加工方便，性能优越，具有很好的使用价值。