S波段矢量陣列天線單元的設計

高宇騰，丁 君，彭文燦，郭陳江

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710072）

在無線通信領域，智能天線的應用前景巨大。為提高天線性能，人們采用矢量陣列以充分利用天線的極化特性。極化是電磁波除幅度、頻率、相位之外的又一個重要信息，對于信號的檢測、濾波、識別等方面有著重要的價值。由于微帶天線具有剖面小、重量輕、成本低等特點[1]，使用微帶天線來實現矢量陣列的天線單元具有很強的可行性。

矢量陣列要求天線單元具有雙極化特性。國內外有不少關于雙極化天線的研究，包括采用三維天線結構[2-3]，多層結構[4]，微帶縫隙結構[5-6]等，大多結構比較復雜。本文采用微帶天線結構，設計了一個工作在S波段的雙極化天線單元，適當增大貼片饋電點與中心點距離可降低交叉極化電平，但會影響輸入阻抗匹配。利用Ansoft公司的HFSS軟件進行仿真和優化，根據仿真結果制作了實物。仿真和實測結果吻合較好，可以滿足需要。

1 理論原理與天線設計

對于基片介電常數為εr，工作頻率為f的微帶天線的尺寸，其貼片寬度w可由下式大致得出[7]：

式中c是光速。

為實現天線的雙極化，采用方形貼片、雙饋電點結構，即貼片的長度與寬度均為w。圖1即為天線的結構。圖中，l為饋電點距離貼片中心點距離。L為方形基板寬度，方形貼片寬度為w。基板介質層厚度為h。

圖1 天線的結構示意圖Fig.1 Structure of the antenna

當使用同軸饋電時，饋電點在輻射貼片的邊緣處輸入阻抗最高，而在貼片的中心點出輸入阻抗為零。此外，當饋電點偏離中心線位置時，會激發TM1n模式，從而增大天線的交叉極化輻射。因此兩個饋電點分別取在貼片的兩條中心線上。當輸入阻抗為50Ω時，饋電點距離貼片中心點的距離l可由下式近似計算：

式中：

本文設計的雙極化微帶天線中心頻率為2.5 GHz，微帶板選用雙面敷銅的RF4環氧樹脂板，介電常數εr為4.4。

在HFSS中可對天線的尺寸進行優化。經多次優化仿真可知：調節天線的貼片寬度可改變天線諧振點，w增大則諧振頻率減小，反之則諧振頻率增大。同時，調節饋電點距離貼片中心點的距離l可使天線輸入阻抗匹配，從而改善天線駐波比。調節w與調節l會彼此影響。

改變天線的饋電點位置與貼片中心的距離l，除了對天線的輸入阻抗匹配產生影響外，還會影響到天線的交叉極化電平，如表1所示，在一定范圍內，E面的交叉極化電平，會隨天線的饋電點位置與貼片中心的距離l的增大而顯著減小，而H面的交叉極化電平隨l的增大上下波動，變化幅度不大，始終維持在-30 dB左右。

表1 不同饋電點下天線的交叉極化電平Tab.1 Cross-polarization levels of antennas with different feed points

適當增大饋電點位置與貼片中心點的距離可優化天線在E面內的交叉極化電平，但會影響輸入阻抗匹配。經循環調整，協調諧振頻率、阻抗匹配與交叉計劃電平，取得天線尺寸參數最優值。天線的尺寸如表2所示。

表2 天線尺寸參數Tab.2 Dimension parameter of antenna

2 天線仿真結果

天線的仿真結果如圖2~4所示。圖2的S參數可知，天線帶寬約為2%，端口隔離度在帶寬范圍內均高于33 dB。因為天線關于結構中心旋轉對稱，所以仿真結果中的S11參數與S22參數曲線重合。圖3和圖4分別給出了天線在中心頻率2.5 GHz上，天線的一個端口饋電，另一端口接匹配負載時兩個主面的方向圖。E面內3 dB波瓣寬度約為60°，交叉極化電平-34 dB；H面內的3 dB波瓣寬度約為72°，交叉極化電平-30 dB。

圖2 仿真結果的S參數Fig.2 S-parameter of antenna in simulate data

圖3 E面上共面極化與交叉極化方向圖Fig.3 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on E-plane

圖4 H面的共面極化與交叉極化方向圖Fig.4 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on H-plane

3 實測結果

按照表1尺寸所加工的天線如圖4所示。由圖5可見，天線的帶寬約為2%，端口隔離度高于32 dB，測試結果與仿真吻合較好。天線在中心頻率點兩個主面內的方向圖如圖6和圖7所示，此時天線的兩個端口中，只有一個端口饋電，與它極化正交的端口接匹配負載。圖中可看出，E面內3 dB波瓣寬度為67°，交叉極化電平低于-26 dB，H面內的3 dB波瓣寬度為74°，交叉極化電平低于-23 dB。我們在帶寬內的多個頻點測試天線的E面、H面的輻射方向圖和交叉極化，結果均與圖6和圖7給出的值很接近，說明天線在帶寬內有穩定的輻射特性。

圖5 加工后的天線Fig.5 Antenna

圖6 天線的S參數Fig.6 S-parameter of antenna in test data

圖7 E面上共面極化與交叉極化方向圖Fig.7 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on E-plane

4 結 論

文中給出了一個S波段雙極化天線單元的設計、仿真和實測結果。采用方形貼片，兩個饋電點分別取在天線的兩條中心線上以實現雙極化；通過適當增大饋電點與貼片中心點之間的位置，可降低天線的交叉極化電平。試驗測得該天線在兩個主面的交叉極化電平分別為－26 dB和－23 dB，兩個極化正交的端口之間的隔離度大于32 dB，滿足進一步組成矢量陣列的要求。天線的缺點是帶寬比較窄，需要進一步改善。

圖8 H面上的共面極化域交叉極化方向圖Fig.8 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on H-plane

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