雙極化口徑耦合貼片天線的理論設(shè)計

1、雙極化口徑耦合貼片天線的理論設(shè)計高文軍1, 2 雷 宏 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所七室，100080，北京 呂善偉 北京航空航天大學(xué)電子工程系，100083，北京摘要：設(shè)計了一種口徑耦合貼片天線，具有雙極化特性，并具有足夠高的隔離和很低的交叉極化電平。天線通過十字槽耦合，只需一層饋電網(wǎng)絡(luò)，不需要空氣橋，孔徑在貼片下方的中心。完成初步設(shè)計后，采用隱式時域有限差分法（ADI-FDTD）分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，天線的隔離度優(yōu)于35dB。1 前言隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)（GPS）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、個人通信等領(lǐng)域都需要輕重量、低輪廓、制造簡單、易共形的寬頻帶或雙頻段/雙極

2、化的天線。微帶貼片天線具有饋電方式和極化制式多樣化的特點，而且易與饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化，已成為印刷天線類的主角。根據(jù)現(xiàn)代通信的要求，研究印刷天線的一個重要的方向是多功能性，即多頻段、多極化和多用途1。雙極化天線能發(fā)射或接收兩個正交極化的電磁波，因此在同一帶寬內(nèi)，天線可以發(fā)射兩種信號，這有利于頻率復(fù)用或者收發(fā)同時工作。在地面通信中實現(xiàn)極化分集，抗多徑衰落；在衛(wèi)星通信中實現(xiàn)收發(fā)極化隔離，實現(xiàn)地面/衛(wèi)星通信雙模工作，用于衛(wèi)星通信與全球定位系統(tǒng)共用天線等。除了保證天線的頻帶寬度、增益、波束寬度以及前后比等指標(biāo)外，需要特別考慮的是兩個輸入端的隔離以及每種極化的交叉極化電平。目前在移動通信中，多采

3、用的是極化分集天線（+45o/ - 45o極化），一般要求有30dB的隔離。雙極化天線僅有高隔離性能還不夠，還需要有一定的頻帶寬度。本文分析設(shè)計了一種帶有單層饋電網(wǎng)絡(luò)的雙極化口徑耦合貼片天線，具有足夠高的隔離和很低的交叉極化電平。2 設(shè)計方法貼片天線的口徑耦合饋電方式是Pozar于1985年提出的2，由于它很好的克服了傳統(tǒng)饋電方式微帶天線的許多缺點（如同軸線引入一較大的電感、饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射等），且具有一些獨特的優(yōu)點（如避免了在基片上打孔，便于制作，輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)可采用低介電常數(shù)的厚基片和高介電常數(shù)的薄基片以實現(xiàn)各自性能的優(yōu)化，易實現(xiàn)阻抗匹配等），因此近年來人們對此研究較多3。文獻(xiàn)1中給

4、出一種十字槽耦合的雙極化貼片天線，如圖1所示，它只需一層饋電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，既有良好的隔離，又有較寬的頻帶。但是，這種結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)不易實現(xiàn)良好匹配，通道1和2饋線之間的耦合不容易控制，調(diào)整繁瑣4。為了減小通道1和通道2之間的耦合，通道1與槽之間采用金屬化孔過渡，同時通道2饋電偏置，如圖2所示，這樣把通道1和2之間的耦合降到最低。為了實現(xiàn)較強的耦合，縫隙通常采用長方形窄縫。一般縫隙長度不宜太長，否則會導(dǎo)致強的背向輻射，使天線效率降低；但太短又不能保證足夠的耦合程度，因此需折中考慮。選擇縫隙長度小于半波長，這樣天線的背向輻射較小，一般低于前向主瓣20dB左右?？趶今詈橡侂娰N片天線易實現(xiàn)阻抗匹配，

5、可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，包括貼片的長度和寬度，縫隙的長度和寬度，貼片層基片的介電常數(shù)和厚度以及饋電層基片的介電常數(shù)和厚度等。在設(shè)計過程中，首先根據(jù)微帶貼片天線的基本理論進(jìn)行初級設(shè)計，計算貼片尺寸，選擇耦合縫隙的長度與寬度，以及饋線尺寸，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定天線輻射元與饋電網(wǎng)絡(luò)之間的距離5。完成初步設(shè)計后，利用隱式時域有限差分法6（ADI-FDTD）進(jìn)行仿真，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。3 算例利用前節(jié)的設(shè)計方法，分析設(shè)計了S波段的雙極化貼片天線。首先對兩個通道單獨優(yōu)化設(shè)計，然后組合，調(diào)整它們之間的隔離度，達(dá)到最佳。采用圖1所示結(jié)構(gòu)時，可調(diào)整參數(shù)較多，最后在中心頻率處隔離度可達(dá)到30dB。為了提高隔

6、離度，本文設(shè)計了結(jié)構(gòu)如圖2的雙極化貼片天線單元，并利用ADI-FDTD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通道1和 2的電壓駐波比（VSWR）如圖3所示，二者隔離度如圖4所示。可以看出，天線工作帶寬（VSWR<1.5）較寬，此頻率范圍內(nèi)隔離度優(yōu)于40dB，滿足工程要求。4 結(jié)論設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的口徑耦合雙極化貼片天線單元，隔離度優(yōu)于40dB，具有較寬的頻帶寬度，滿足工程要求。參考文獻(xiàn)1 劉庭華，章文勛，Tsang K F .雙頻/雙極化貼片天線的研究進(jìn)展. 現(xiàn)代雷達(dá)J，1999，21(5)：91992 Pozar D M .A microstrip antenna aperture coupled to a microstrip line. Electronics LetterJ, 1985, 21: 49503 高式昌，鐘順時 .口徑耦合微帶天線的數(shù)值分析. 上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)J，1998，4(6)：6686744 鄭京 . S波段寬頻帶微帶天線研制D. 北京聯(lián)合大學(xué)信息系畢業(yè)設(shè)計論文，20015 Silver S 美著，江賢祚等譯 .微波天線理論與設(shè)計M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19896 高文軍 .ADI-FDTD及其在平面電路及天線設(shè)計中的應(yīng)用研究D. 北京航空