一種提高交叉極化隔離度的16元微帶陣列天線

摘 要:在現代通信中，特別是衛星通信，有時需要比較高的交叉極化隔離度。對于傳統的微帶陣列天線來說，由于其饋電網絡與陣元均處于同一側，不僅會產生互耦，影響增益，并且交叉極化隔離度也不能滿足廣大用戶的要求。在此提出一種新型的饋電結構，旨在提高其交叉極化隔離度。從仿真中可以看出，交叉極化隔離度能達到40 dB以上，為實現更大型微帶陣列天線網絡做出一定的理論實踐和工程指導。

關鍵詞:微帶陣列天線; 交叉極化隔離度; 饋源網絡; 開槽線

中圖分類號:TN823 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0114-03

16-element Microstrip Array Antenna for Enhancing Cross-polarization Isolation

LIU Teng1，2， LUO Yong1， LI Sha-sha2， LI Xu-zhe1

(1. University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China;

2. China Spacesat Co. Ltd.， Xi’an 710061， China)

Abstract: A high cross-polarization isolation is sometimes needed in modern communications， especially in satellite communications. A new feeder structure is proposed to enhance the cross-polarization isolation because the array elements and the feed network are at the same side in the traditional microstrip array antenna， and the structure can cause low cross-polarization isolation and co-coupling which affects the gain. It is found from the simulation result calculated by HFSS of Ansoft that the cross-polarization isolation is higher than 40dB. This conclusion can provide a good reference to the practical engineering.

Keywords: microstrip array antenna; cross-polarization isolation; feed source network; slot line

0 引 言

微帶陣列天線具有體積小，重量輕，制作簡單，安裝方便，容易與有源器件集成，外觀美觀，受環境影響小等優點，因此越來越受到人們的歡迎。目前，微帶陣列天線已經成功地用于機載雷達，衛星通信，移動通信和衛星電視等系統中。

關于微帶陣列天線的饋電問題，前人已做了大量的工作。一般都是輻射片與微帶線饋源網絡處于同一側，如文獻[1-2]所述。這種方式由于饋源網絡本身會產生一定的輻射，所以總的輻射場就是各輻射單元的輻射場與饋源網絡輻射場的疊加。由于饋源網絡布線并不一定規則，這無疑會影響天線整體的交叉極化隔離度性能;同時，由于微帶線與輻射貼片存在有互耦，這樣還會進一步使天線交叉極化隔離度性能降低，影響主瓣增益[3]。在某些特定的應用場合(如衛星通信)，要求天線的交叉極化隔離度性能是比較高的(30 dB以上)[4]，對于一般陣元數目比較少的天線陣，還能夠滿足要求，但是對于大型或者超大型陣列，以上的饋電方式就很難滿足要求了。關于抑制交叉極化隔離度的饋電方式，前人也做了大量的工作，如文獻[5]所述，文章中提到將輻射單元與饋源網絡隔離的方式，能有效提高交叉極化隔離度;類似的做法再如文獻[6]所述;而文獻[7]提出一種用開槽線耦合饋電的方式將能量耦合給輻射單元，亦取得了良好地效果。本文在總結了前面優秀工作的基礎上，提出一種全新的饋電結構:天線輻射單元與饋源網絡分別處于接地板兩側，通過接地板的開槽線把饋源網絡上的能量耦合到輻射單元上，通過HFSS軟件仿真，得到了比較好的結果，說明此種饋電方式確有比較好的提高交叉極化隔離度的作用，并為進一步組建大型或超大型陣列做出指導。

1 輻射單元

輻射單元采用嵌入式微帶邊饋貼片[8](如圖1所示)，這樣可以很容易地實現阻抗匹配。對于介質基片厚度為h=1.5 mm，天線工作的中心頻率為f0=12.5 GHz，采用相對介電常數為εr=2.2的Rogers RT/duroid 5880介質作為基片，輻射貼片寬度為:

Wp=c2f0 εr+12 -12 (1)

式中:c為真空中的光速。確定了寬度，就可以計算其相對介電常數為:

εre=εr+12+εr-12 1+10hwp -12 (2)

天線邊緣引起的等效長度為:

ΔL=0.412 h(εre+0.3)(w/h+0.264)(εre-0.258)(w/h+0.8) (3)

所以矩形微帶片的實際長度一般采用下面的結果:

L=λe/2-2ΔL (4)

式中:

λe=λ0/εre (5)

式(5)中:λ0為真空中波長。為了使天線與饋線匹配，要給天線饋源口開槽，槽深的設計公式是:

Ls=(L/π)arccosZin/ZL (6)

而槽長Ws對天線輸入阻抗的影響不是很大，只要大于饋線一定尺寸即可。用HFSS軟件對天線尺寸進行優化，得到各個尺寸如圖1所示，Wp=9.4 mm，Lp=7.3 mm，Ws=2.8 mm，Ls=2.2 mm，饋線長度Lf=8.25 mm，輸入阻抗Z=50 Ω。

圖1 輻射單元圖示

2 2×2微帶陣列天線提高交叉極化隔離度原理

關于此類2×2微帶陣列天線提高交叉極化隔離度的原理，文獻[7]已經做過詳細的描述，這里不再過多討論，只給出相應結論。它是先將饋線上的能量耦合到開槽線上，在開槽線上經過一段距離傳輸之后，再次耦合到輻射貼片上，4個輻射貼片2個成一對并行排列?？梢钥闯?，產生交叉極化電場的磁流在遠場無論是在E面或是在H面，都相互抵消了，而傳統的饋電方式(饋電方向均朝向一側[1])，在H面內由于磁流在其中心兩側產生的交叉極化電場在遠場不能完全抵消，因此會影響其交叉極化隔離度性能。

文獻[7]所提出的饋電方式仍然是將饋線與微帶輻射單元處于同一側。如果稍加改動，將饋線與輻射單元分別處于接地板兩側，如圖2所示。這樣做有2個好處:能將饋線產生的其他場降至最小，這樣在組建大型微帶陣列時是非常有必要的;在組建大型微帶陣列時，由于饋源網絡與輻射單元處于不同側，我們就不用再考慮輻射單元與饋源網絡之間的互耦問題，這樣，饋源網絡就可以得到很大程度的簡化。

基于這樣的分析，用電磁仿真軟件HFSS進行仿真實驗。圖3顯示的是圖2中E面與H面主極化與交叉極化在θ角[-90°，90°]范圍內的結果?？梢钥闯?，這樣的饋電方式在中心以及1 dB以內仍然能獲得很好的交叉極化隔離度特性。

圖2 改動后的輻射單元圖示

圖3 仿真結果

3 4×4微帶陣列天線

有了上面的基礎，我們進一步擴大陣元數目。由于此時不用再考慮饋源網絡與輻射單元之間的相對距離，所以我們將饋源網絡設計的越簡單越好，以便于工程應用圖[4]。有人擔心饋源網絡與輻射單元共用一塊金屬板，中間的金屬板會不會漏電，導致天線無法正常工作。對此我們知道，金屬在電場中具有“靜電平衡”作用，當金屬處于平衡狀態時，金屬體內是沒有凈電荷的，這樣就不會有電流存在。這樣就不用擔心通過中心接地板上下“走電”的問題。但是饋源網絡與開槽線一定要保持一定距離，不然會有很強的互耦。因此，首先想到的是圖4(a)所示的饋源網絡，同軸線的輸入阻抗是50 Ω，經過阻抗變換到饋源網絡的特性阻抗。在第一功分處分開要有路徑上λg/2的差值，在3處T型功分器處都選取λg/4阻抗變換(具體設計方法見文獻[9-10])，這樣能使網絡本身的駐波降到很低，使能量最大限度的進入開槽線，進而耦合到天線輻射單元。實驗結果如圖5(a)所示。主極化增益為17.33 dBi，交叉極化為-13.44 dBi，交叉極化隔離度在1 dB范圍內為30 dB左右，符合工程要求。

如果采用圖4(b)的饋源網絡進行饋電，會得到圖5(b)所示的結果，交叉極化隔離度在40 dB左右。因此可以得出這樣一個結論:如果將饋源網絡在第一功分入口隔開的話，交叉極化隔離度性能就會更加良好;如果牽扯到工程，只需要引入一個事先做好的微帶3 dB電橋或者功分器即可[11]。

圖5中θ角范圍內曲線不是很對稱，這是由于饋源網絡的不對稱結構引起的。

圖4 反饋網絡

圖5 幅射方向圖

圖4(b)所示結構相比圖4(a)性能更加良好一些，這個可以通過圖6來加以解釋。圖6所示為用兩個相位相差π的激勵波端口來模擬第一功分口的兩路信號，此時交叉極化隔離度達到50 dB以上。當然，這是一個理想結果，在實際中還要視3 dB或者功分器的性能優 劣而定。

圖6 相位相差元的兩個激勵波端口得出的輻射方向圖

4 結 語

本文在總結了前人優秀工作的基礎之上，提出一種新的給微帶陣列天線饋電的饋源網絡結構，通過HFSS軟件仿真，說明這種饋電結構確實有助于提高天線的交叉極化隔離度性能。

參考文獻

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