新型強耦合寬帶雙圓極化陣列天線

張福恒 楊國敏 金亞秋

(復旦大學電磁波信息科學教育部重點實驗室,上海 200433)

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新型強耦合寬帶雙圓極化陣列天線

張福恒 楊國敏 金亞秋

(復旦大學電磁波信息科學教育部重點實驗室,上海 200433)

空間飛行器由于受到動力和負載的限制,需要盡可能使搭載的天線輕質小型化.文中提出了一種新型強耦合雙圓極化輕質天線.天線單元采用H型縫隙耦合和增加寄生貼片方法,提高了天線帶寬. 同時,通過在輻射貼片、寄生貼片上開圓形槽,以及金屬反射板柵格化的處理,明顯地減輕了天線的質量.采用這種新型天線單元,設計了8單元的寬帶雙圓極化陣列天線.仿真結果表明:該陣列天線的中心頻率為433 MHz,左旋和右旋圓極化的相對軸比(Axial Ratio,AR)帶寬(AR<3 dB)分別達到了24.4%和23.2%,有效實現了小型輕質化寬頻帶雙圓極化陣列天線.

寬帶陣列天線;雙圓極化;強耦合;柔性可展開天線

引 言

隨著對空間通信質量的不斷提高,空間天線技術已成為新型空間通信系統的關鍵技術之一.采用圓極化天線的優勢主要表現在:1) 圓極化天線可以接收任意極化的來波,且輻射波也可以被任意極化天線接收;2) 圓極化天線具有旋向正交性;3) 極化電磁波入射到對稱目標時旋轉逆向,不同旋向的電磁波具有很好的極化隔離.因此圓極化天線得到了越來越多的應用[1].然而傳統的圓極化微帶天線在阻抗帶寬、軸比帶寬、極化純度、天線重量方面都有局限性.文獻[2-3]都是采用單饋法實現圓極化,前者將方形微帶天線切角,后者在圓形貼片上開十字型槽,但兩種方法的阻抗帶寬和軸比帶寬都非常窄.文獻[4-5]分別采用四層介質耦合饋電結構,設計了工作頻段為2～4 GHz的單饋及多饋圓極化微帶天線單元及陣列,阻抗帶寬和軸比得到顯著提高,但這種結構整體質量過重且無法實現雙圓極化.文獻[6]利用3 dB電橋給普通的縫隙耦合饋電,相對阻抗帶寬達到32.3%,但沒有考慮到減小背向輻射的問題.文獻[7]采用了雙層貼片加“H”型縫隙的方法提高帶寬,實現雙極化,然而介質厚度1.6 mm,組成陣列后質量過重仍無法滿足衛星通信需求.文獻[8]利用Wilkinson功分移相器和探針給貼片饋電,測試的圓極化帶寬達到23.8%,這種結構無法滿足可折疊的需求.文獻[9]利用Wilkinson功分器給“H”型縫隙耦合饋電的結構設計了寬帶圓極化天線,但該設計僅能實現單一圓極化方式,且沒有減小天線的背向輻射.

針對上述問題,本文利用柔性薄膜材料設計了一種新型強耦合寬帶雙圓極化天線,并利用仿真軟件HFSS對天線單元進行了仿真分析,經過優化得到了理想的天線幾何尺寸,在此基礎上設計了8單元的陣列天線.與傳統的圓極化陣列天線相比這種結構的圓極化微帶陣列天線具有寬帶、輕質、高隔離度、柔性可展開、圓極化性能好等優點,可以滿足現代通信、相控陣雷達、星載SAR系統等需求.

1 天線單元的設計

1.1 天線參數計算

天線單元的結構如圖1所示,從上到下依次為寄生貼片層、輻射貼片層、地層、饋線層和反射層.寄生貼片通過與輻射貼片耦合獲得激勵,兩層貼片諧振頻率相近,拓寬了天線帶寬.貼片層上開了圓形孔增強了輻射貼片與寄生貼片間的耦合.各相鄰層間均為空氣介質,減小了天線的相對介電常數,降低了微帶天線諧振空腔的Q值,進一步擴展帶寬.將天線單元和3 dB電橋級聯可組成天線陣列,3 dB電橋的不同端口饋電可分別實現左旋/右旋圓極化.

寄生貼片層、輻射貼片層的介質采用聚酰亞胺薄膜,介電常數3.4,損耗正切0.025,介質厚度0.1 mm.設計天線的中心頻率0.433 GHz,由經驗公式確定輻射貼片的初始尺寸[10]:

(1)

式中:εr為介質介電常數,寄生貼片尺寸略小于輻射貼片.饋線層的介質采用蜂窩狀紙質板,介電常數1.45,介質厚度2.2 mm.饋線層上表面為刻蝕兩個相互垂直的“H”型縫隙地板,縫隙的長度和約為諧振頻率的半波長.

(a) 單元俯視圖

(b) 單元立體圖圖1 天線單元結構圖

1.2 天線參數分析

在天線設計過程中,如果知道了天線尺寸參數的變化對天線性能的影響規律,就可以快速有效地完成天線的設計.對La、Hstub、R參數進行仿真研究.初始值取La=220 mm,Hstub=45 mm,R=30 mm.保持其他參數和指標要求不變,改變某個參數,計算輸入阻抗相對其變化曲線,匹配的目標是滿足輸入電阻在所需頻帶內盡量平坦并接近50 Ω,輸入電抗在最大范圍內接近于零.

圖2是輸入阻抗隨寄生貼片邊長的變化曲線.由圖所示曲線可知,La長度的變化對整個頻段內的輸入阻抗有顯著的影響.隨著La從210 mm逐漸增大到230 mm,第一個諧振頻點的輸入電阻減小但諧振頻率沒有變化,第二個諧振頻點的輸入電阻增加且諧振頻率向低頻偏移,阻抗實部整體更加平坦.隨著La的增加,第一諧振頻點的輸入電抗值略有減小,第二諧振點的電抗值向低頻偏移,電抗值整體的起伏減小.

近年來各行業都不同程度地受到大數據的影響，其中大數據會計行業的財務工作影響頗深，使其迎來巨大的變革。財務工作的數字化為會計人員帶來便利的同時又給企業帶來了確保企業信息、資產安全等困擾，不同程度上增加了會計職業風險。

(a) 實部

(b) 虛部圖2 輸入阻抗隨La的變化曲線

圖3是H端口的輸入阻抗隨該端口饋線枝節長度Hstub的變化曲線.由圖可見Hstub的長度變化對第一諧振點的輸入電阻有顯著的影響Hstub值越大,第一諧振點電阻值越大.同時輸入電抗整體隨Hstub的增大而減小.

圖4是輸入阻抗隨貼片上的圓孔半徑R的變化曲線.由圖可知在R從20 mm增加到30 mm的過程中,第一諧振點的輸入阻抗略有降低,第二諧振點的輸入阻抗大小基本沒有變化,但諧振頻率向低頻偏移.

(a) 實部

(b) 虛部圖3 輸入阻抗隨Hstub的變化曲線

(a) 實部

(b) 虛部圖4 輸入阻抗隨R的變化曲線

1.3 天線原理分析

對于這種縫隙耦合天線應用傳輸線模型理論[11]分析,縫隙天線簡化結構如圖5(a)所示,等效電路模型如圖5(b)所示.地層上的縫隙只截獲貼片上電流一部分,N1為部分電流和總電流之比,ΔV為微帶線上有縫隙引入的模電壓變化量,V0為縫隙電壓.

(a) 天線簡化結構

(b) 等效電路模型圖5 縫隙天線簡化結構及等效電路

縫隙引入的電納為:

(2)

計入饋線枝節,得到總的輸入電抗:

(3)

綜合上述參量掃描結果和理論分析,可以得到如下結論:貼片的尺寸對諧振頻率有顯著影響,尺寸越大諧振頻率越低,饋線枝節的長度Hstub、Vstub對阻抗匹配影響較大.在兩層貼片上挖圓孔會改變貼片表面電流分布,故圓孔半徑不宜過大.經過優化后天線單元具體參數為La=220 mm, Hstub=48 mm,R=25 mm.

能量通過兩個正交的“H”型縫隙耦合到方形銅貼片,激勵起空間幅度相等、相位相差90°的TM01模和TM10模,從而產生圓極化電磁波.兩層貼片開圓形槽的處理降低了天線的質量,同時增強了它們之間的耦合.柵格化后的銅薄膜反射板置于天線下方,減小天線的背向輻射,進一步降低天線整體質量.

1.4 仿真結果及分析

仿真優化設計后的天線單元兩極化端口的回波損耗如圖6所示,由圖中可見,天線單元水平端口在390～475 MHz 頻率范圍內回波損耗小于-10 dB,相對阻抗帶寬19.6%.垂直端口在385 ～490 MHz頻率范圍內S11小于-10 dB,相對阻抗帶寬24.2%.

設置兩個端口同時有激勵信號且相位差恒定為90°,仿真該新型天線單元的圓極化軸比帶寬,仿真結果如圖7所示.由圖可知該天線單元在理想的激勵條件下,左旋/右旋圓極化相對軸比帶寬都超過40%(AR<3),圓極化性能良好.

圖7 天線單元軸比帶寬

在中心433 MHz頻率處,天線左旋圓極化和右旋圓極化的輻射方向圖如圖8所示,兩種極化的方向圖形狀相似,天線單元增益約為9 dB,前后比為22dB.由此可見,該新型強耦合寬帶天線單元具有高隔離度、高增益、寬頻帶、低重量等諸多優良性能.

(a) 左旋圓極化

(b) 右旋圓極化圖8 天線單元輻射方向圖

2 天線陣列設計

在利用上述的天線單元設計了8單元的天線陣列,結構如圖9所示.信號經3 dB電橋等分成兩路,并產生90°相位差,幅度相等的兩路信號再經過一對一分為八的T型功分器等幅激勵8個輻射貼片單元.陣列天線整體尺寸2.4 m×3.6 m×0.16 m.

圖10和圖11給出了該新型強耦合寬帶圓極化陣列天線的仿真結果,可以看到該新型陣列天線,左旋圓極化和右旋圓極化的相對軸比帶寬分別達到了24.4%和23.2%(AR<3 dB).由圖可知,在整個阻抗帶寬范圍內,天線增益均大于15 dB,在510 MHz頻率時最大增益為17 dB,增益隨頻率變化平穩.

圖9 陣列天線結構

圖10 陣列天線的軸比帶寬

圖11 陣列天線的增益

3 結 論

本文應用口徑耦合理論和多層貼片結構設計了一種P波段的新型強耦合寬帶雙圓極化天線單元,并利用該單元設計了8單元的線陣.由于采用了“H”型縫隙耦合和附加寄生貼片結構形式大大增加了阻抗帶寬和軸比帶寬,并結合3 dB電橋實現了雙圓極化.仿真結果表明,左旋圓極化和右旋圓極化的相對軸比帶寬分別達到了24.4%和23.2%(AR<3 dB).天線各層均采用柔性薄膜材料,相鄰層間為空氣介質,同時寄生貼片、輻射貼片經過開圓形槽處理,不僅增強了輻射貼片層和寄生貼片層間的耦合,而且大大減輕了陣列天線的整體質量.金屬反射板經過柵格化處理同樣起到了降低天線質量的效果.天線陣列具有寬帶、雙圓極化、整體柔性、可收攏展開 、重量輕等特點.

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張福恒 (1990-),男,安徽人,復旦大學電磁場與微波技術專業博士研究生, 主要研究方向為人工磁導體、可重構天線和微帶陣列天線.

楊國敏 (1979-),男,浙江人，復旦大學通信系副教授,博士,主要研究方向為天線理論與技術、陣列天線設計、微波器件的小型化設計和超寬帶微波器件設計等.

金亞秋 (1946-),男,上海人，美國MIT博士、中國科學院院士、發展中國家科學院院士、IEEE會士、復旦大學特聘教授、電磁波信息科學教育部重點實驗室主任、國家973項目首席科學家,研究方向為電磁波散射與傳輸、空間遙感信息理論、計算電磁學等.

A novel broadband dual circular polarization antenna array

ZHANG Fuheng YANG Guomin JIN Yaqiu

(Key Laboratory for Information Science of Electromagnetic Waves,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Due to the limited power and loading for the spacecraft, it is necessary for the antenna on the spacecraft to be designed with small size and light weight. A novel broadband dual-polarized antenna is presented in this paper. The bandwidth of designed antenna is increased by using two orthogonal H-shaped slot and adding the parasitic patch. Meanwhile, circular slots are etched both in the radiation patch and the parasitic patch, and the metal reflection rasterizing are introduced to reduce the total weight of the antenna. An eight elements broadband circularly polarized antenna array based on this novel element is designed. The simulation results show that the central frequency is about 433 MHz and the relative bandwidth for the left hand circular polarization and right hand circular polarization are 24.4% and 23.2%, respectively. The designed antenna array has the characteristics of small size, light weight, wide bandwidth and dual polarization.

broadband antenna; dual CP antenna; tight coupling; flexible antenna

10.13443/j.cjors.2015070501

2015-07-05

國家自然科學基金(61571130)

TN82

A

1005-0388(2016)03-0426-06

張福恒, 楊國敏, 金亞秋. 新型強耦合寬帶雙圓極化陣列天線[J]. 電波科學學報,2016,31(3):426-431.

ZHANG F H, YANG G M, JIN Y Q. A novel broadband dual circular polarization antenna array[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):426-431. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015070501

聯系人： 楊國敏E-mail：guominyang@fudan.edu.cn