肖 陽，陳凱亞

（西南交通大學電磁所，四川 成都 610031）

0 引言

基于相控陣饋源的射電望遠鏡正成為研究的熱點，為獲得更好的巡天性能，天線單元應該具有高增益、方向圖等化以及可實現雙極化等特點[1]，電磁偶極子天線通過同時激勵電偶極子和磁偶極子，可以實現良好的方向圖等化[2-4]。文獻[5][6]采用垂直平面印刷結構的電磁偶極子天線，可以更方便地用于組陣，但它們增益都較小，分別為4.3dB和6.5dB。

左手材料的應用極大地提高了天線的增益[7]，與傳統的電磁偶極子天線相比，加載左手材料的電磁偶極子天線的增益得到了明顯提升[8][9]。文獻[10]中的垂直平面印刷電磁偶極天線加載有H 形左手材料。工作頻段內天線增益達到7.4dB～9.7dB。文獻[11]設計了一種加載“工”字形左手材料的寬帶高增益魚尾形電磁偶極天線，在頻帶范圍天線的增益為6.67dB～11.07dB，這兩款天線均獲得較高增益，仿真顯示其方向圖等化性能不夠理想，并且加載左手材料的排列方式為四單元T 形和十單元雙層形式，左手材料位于天線中心線上，不利于構成雙極化天線。

本文基于“田”字形結構的左手材料[12]，并將左手材料布局在天線中心線兩側，研究了四單元單層和八單元雙層的排列方式，并同其他排列方式下的天線性能進行了比較，最后采用八單元雙層排列結構，不僅能獲得良好的輻射性能，而且實現了雙極化設計。

1 “田”字形結構的左手材料設計

文獻[12] 通過將多開口諧振環與交叉金屬條結合，提出了一種“田”字形左手材料，與多開口諧振環相比，其傳輸損耗明顯降低，左手材料的帶寬得到提高。本文設計了工作于L 波段的“田”字形左手材料，其結構如圖1 所示，并采用文獻[13]中的方法，由S 參數矩陣求得左手材料的折射率、等效介電常數和等效磁導率，仿真結果如圖2 所示。可以看出，在1.4GHz 附近，這些參數均為負值，具有左手特性。

圖1 左手材料的HFSS 模型

2 加載左手材料的單極化電磁偶極子天線設計

2.1 電磁偶極子結構設計

文獻[10]的垂直平面印刷電磁偶極子采用扇形結構，文獻[11]采用的是魚尾形結構，本文采用了結構更簡單且尺寸更小的領結形結構，由印刷有電磁偶極子的介質基板和方形金屬反射板組成。介質基板使用Rogers RT/ duroid 5880（tm），介電常數為2.2，厚度為0.78mm，反射板大小為1λ×1λ。介質基板的正面印有梯形微帶巴倫，環形磁偶極子和領結形電偶極子通過微帶線連接到微帶巴倫。采用同軸SMA 接頭進行激勵。

圖2 左手材料的參數曲線

2.2 加載左手材料天線性能仿真

本節分別對加載四種不同排列方式左手材料的電磁偶極子天線以及不加載左手材料的天線單元進行仿真分析，其結構如圖3 所示，得到其輻射方向圖和增益變化曲線。

圖3 不同加載情況下的電磁偶極子天線

圖4 不同加載情況下的天線增益

圖5 S21 性能

圖4 表明加載左手材料對在1.1GHz-1.55GHz頻帶范圍內的天線增益有明顯的提升，但在1.6GHz附近加載左手材料反而抑制了天線增益，其原因如圖5 所示，該左手材料的傳輸特性對天線的增益有直接的影響，在諧振頻率點1.6GHz 處，S21很小，能量很難通過加載的左手材料進行傳輸。

圖6 表明，四單元單層和八單元雙層在中心頻率處旁瓣不僅優于三單元單層和四單元倒T 形結構天線，而且其E 面、H 面方向圖具有更好的等化性，且八單元雙層排列可以獲得更窄的波束寬度和更高的前后比，并能很容易地進行雙極化設計。如繼續采用三層排列，就會造成方向圖副瓣明顯增大，影響天線輻射性能，且增益提升較小。

圖6 1.4GHz 處加載不同排列方式的左手材料天線方向圖之間的比較

3 加載左手材料的雙極化電磁偶極子天線設計

為了實現電磁偶極子天線的雙極化設計，需要對微帶巴倫進行開槽處理，即在天線a 和天線b 的介質基板上開一對互補的縫隙，以使這兩個天線能互相穿插在一起。此外，為了避免天線a 和天線b的饋線發生接觸，還需要對天線a 的Γ 形饋線的高度進行調整。如圖7 所示，調整后的兩組Γ 形饋線能夠進行正交放置，且介質板的開槽也不會影響兩組Γ 形饋線的完整性。

圖7 雙極化天線結構

從圖8 可以看出，該雙極化天線在1.25GHz-1.55GHz頻帶范圍內極化隔離度S12基本優于-30dB，滿足雙極化天線作為陣列饋源的隔離度要求。其交叉極化特性如圖9 所示，在諧振頻率1.4GHz 處，天線a 和天線b 的交叉極化增益小于-18dB，交叉極化比大于28dB，表明天線a 和天線b 兩個信號之間的相關性較小，天線的極化效果好。

圖8 雙極化電磁偶極子天線散射曲線

圖9 天線的輻射方向圖

4 結語

本文針對基于相控陣饋源的射電望遠鏡對天線增益、方向圖以及雙極化可實現的要求，研究了加載“田”字形左手材料的天線的性能，設計了加載8 個左手材料單元的電磁偶極子天線，增益達到10.3dB，前后比達到23.7dB，E 面和H 面方向圖具有良好等化性。通過對兩副電磁偶極子天線進行開槽處理，以垂直交叉的方式組成雙極化電磁偶極子天線，具備良好的隔離度和交叉極化性能。該天線可用于構成相控陣饋源陣列，并通過進一步的優化設計，提升射電望遠鏡的視場性能。