Ka波段寬帶圓極化微帶天線單元及陣列設計*

胡志慧，姜永華，李 娜，凌 祥

(1海軍航空工程學院，山東煙臺 264001;2 91917部隊，北京 100000)

0 引言

Ka波段是毫米波段中的一部分，其微帶天線具有體積小、重量輕、剖面薄、易共形、方向性好、探測精度高等優點，已經在通信、導航、制導、引信等方面獲得了廣泛應用。然而，在Ka波段，雨霧等空中水凝物對電磁波后向散射形成的雨雜波嚴重影響了雷達的探測精度。由于圓極化微帶天線可以有效抑制雨雜波干擾和抗多徑反射[1]，從而可減弱雨雜波對雷達探測性能的影響，因此，對Ka波段圓極化微帶天線的研究有重要意義。

微帶天線獲得圓極化的基本原理是激起兩個幅度相等、極化方式正交的線極化波，其實現方法主要有單饋法及多饋法。文獻[2]采用方形切角微帶天線單元研制了毫米波圓極化單脈沖天線陣列，盡管結構簡單，但軸比帶寬只有1.2%，極化性能也較差;文獻[3]研制了Ka波段高增益圓極化微帶天線陣列，軸比帶寬得到一定提高，達到了5.6%;文獻[4]和文獻[5]分別采用4層介質耦合饋電和正交 H形口徑耦合饋電設計了寬帶圓極化微帶天線，獲得了較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，但這種天線結構比較復雜，尺寸比較大，不適合陣列天線的應用。

文中提出了一種基于矩形縫隙耦合的Ka波段圓極化微帶天線單元，分析了各參數對天線軸比特性的影響，采用CST軟件對天線單元進行了仿真優化，得到了合理的天線尺寸;然后以該天線單元為基礎，采用順序旋轉饋電技術[6]，設計了4×4寬帶圓極化微帶天線陣列，顯著改善了天線的軸比帶寬和圓極化純度。

1 天線單元設計

1.1 天線單元結構

縫隙耦合饋電的主要優點是避免在基片上打孔，饋電層與輻射層通過中間接地層完全隔離，分別裝在兩個介質板上，減小了饋電網絡對天線輻射單元的影響，交叉極化電平低，阻抗帶寬寬，更容易實現圓極化等。

基于矩形縫隙耦合的圓極化微帶天線單元結構如圖1所示。天線由兩層介質板、微帶貼片、微帶饋線及開在接地板上的耦合縫隙組成。兩層介質板的介電常數 εr均為 2.2，第一層介質厚度h1為0.25mm，第二層介質厚度 h2為 0.5mm。第一層介質下側為微帶饋線，微帶饋線終端開路，通過調節其長度來改善天線的阻抗匹配特性，饋線寬度為 W2，終端長度為L2，特性阻抗為 100Ω。接地板位于第一層介質和第二層介質中間，接地板上開有矩形縫隙，寬度和長度分別為WS和LS，能量通過矩形縫隙耦合到輻射貼片上。矩形微帶天線印制于第二層介質板的上側，采用附加簡并分離單元來實現圓極化，矩形貼片寬度和長度分別為WP和LP，切角深度分別為W1和L1。

圖1 基于矩形縫隙耦合的圓極化微帶天線單元結構

1.2 參數分析

由腔模理論知，天線的諧振頻率主要由天線長度LP決定，軸比特性主要由簡并分離單元決定，但是由于采用縫隙耦合饋電方式，矩形縫隙的尺寸對天線諧振頻率和軸比特性也有較大影響。縫隙寬度WS增加，耦合強度加強，諧振電阻增加，諧振頻率變低;矩形貼片長度LP增加，天線的諧振頻率變低。

天線采用切角的方法實現圓極化，為進一步研究切角深度對天線軸比特性的影響，利用CST分別對切角長度和寬度進行了仿真分析。圖2表明，切角寬度W1主要影響軸比值為最小時的頻率，當切角寬度由大變小時，頻率逐漸向左偏移。圖3表明，切角長度L1主要影響軸比值的大小，隨著切角長度的增加，天線的軸比值變小，軸比帶寬增加。

1.3 仿真結果

利用CST對天線單元進行仿真優化后，得到的尺寸如表1所示。

圖2 切角寬度對軸比特性影響

圖3 切角長度對軸比特性影響

表1 天線單元尺寸 mm

仿真得到的S參數如圖4所示，天線在32.4～39.4GHz頻率內 S11 ＜－10dB，相對阻抗帶寬為20%。天線單元的軸比特性如圖5所示，在34.5～35.8GHz頻率內AR ＜3 dB，相對軸比帶寬為3.7%。天線工作在 35GHz時，E面和 H面的左旋極化(LHCP)方向圖及右旋極化(RHCP)方向圖如圖6所示，由圖知該天線為左旋圓極化天線。

圖4 天線單元S11曲線

圖5 天線單元軸比隨頻率變化曲線

圖6 天線單元極化方向圖

2 天線陣列設計

為有效提高軸比帶寬，增加天線增益，降低交叉極化電平，采用順序旋轉饋電技術，對上述天線單元進行組陣。4×4毫米波圓極化天線陣面分布及耦合饋電網絡分別如圖7和圖8所示。

圖7 天線陣面分布

圖8 口徑耦合饋電網絡

天線陣元縱橫對稱分布，陣元間距均為6.4mm(約 0.75λ0，35GHz時 λ0=8.57mm)。各天線單元依次旋轉 90°，饋電相位依次為 0°、90°、180°、270°，饋電幅度相等。采用T形接頭進行功分，在功分之前采用70.7Ω的四分之一阻抗變換器進行阻抗變換，其寬度為 0.45mm，長度為 1.65mm。

仿真得到的天線陣列軸比特性如圖9所示，天線陣列在 31.8～37.8GHz內 AR ＜3dB，相對軸比帶寬達17%。S參數如圖 10所示，天線在 31.4～40.2GHz內S11＜－10dB，相對阻抗帶寬為25%。由此可知，與傳統天線陣列相比，采用順序旋轉饋電技術大大改善了天線的圓極化純度和軸比帶寬。天線增益隨頻率的變化曲線如圖11所示，天線在整個阻抗帶寬內增益均大于15dB，最大增益為19.4dB。圖12～圖14為天線陣在32、35、37GHz時 E面和 H面的左右旋極化方向圖。由圖可知，在整個頻帶內，天線陣的左旋極化方向圖都比較穩定，3dB波束寬度約為15°，副瓣電平均低于－15dB，交叉極化電平低于－18dB。該天線陣具有頻帶寬、增益高及圓極化性能好等特點。

圖9 天線陣軸比隨頻率變化曲線

圖10 天線陣S11曲線

圖11 天線陣增益隨頻率變化曲線

圖12 天線陣在32GHz時的極化方向圖

圖13 天線陣在35GHz時的極化方向圖

圖14 天線陣在37GHz時的極化方向圖

3結論

文中提出了一種基于矩形縫隙耦合的Ka波段圓極化天線單元結構，采用簡并分離實現圓極化，通過調整切角深度及縫隙尺寸實現了良好的圓極化特性及阻抗匹配。針對傳統微帶天線阻抗帶寬和軸比帶寬窄的不足，采用了順序旋轉饋電技術，設計了4×4寬帶圓極化微帶天線陣列，顯著改善了天線的圓極化純度和軸比帶寬。仿真結果表明，該天線單元阻抗帶寬為20%，軸比帶寬為3.7%，采用順序旋轉饋電組陣后，天線陣列的阻抗帶寬和軸比帶寬分別達25%和17%，天線陣列最大增益為19.4dB，在整個頻帶內，天線增益均大于15 dB，交叉極化電平均低于－18dB。這種結構的圓極化微帶天線具有帶寬寬、圓極化性能好、增益高、結構緊湊等優點，適合作為大型陣列的子陣。

由于Ka波段微帶天線其工作頻率較高，陣元之間的互耦以及微帶饋電網絡的帶寬對天線性能會產生很大影響，因此，如何降低陣元之間互耦以及如何實現寬帶饋電網絡是進一步研究的內容。

[1]薛睿峰，鐘順時.微帶天線圓極化技術概述與進展[J].電波科學學報，2002，17(4):331 －336.

[2]趙爽，陳殿仁.毫米波圓極化單脈沖陣列天線的研究[J].微波學報，2011，27(6):73－76.

[3]John Huang. A Ka-band circularly polarized high-gain microstrip array antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1995，43(1):113－116.

[4]朱莉.一種新型寬帶圓極化微帶天線的設計[J].微波學報，2008，24(3):21－24.

[5]張輝.基于H形縫隙耦合的寬帶圓極化微帶天線[J].電子與信息學報，2007，29(4):991－993.

[6]HU Yong-jin. Broadband circularly polarized microstrip antenna array using sequentially rotated technique[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10:1358－1361.