一種新型Ku頻段寬帶高增益雙極化微帶天線陣列

陳振寧 梁仙靈 葉 聲 王文智 徐 燁 耿軍平 金榮洪

（教育部高速電子系統設計與電磁兼容研究重點實驗室，上海交通大學，上海200240）

1.引 言

近年來，隨著衛星通信的飛速發展，無論是公安消防，還是搶險救災，甚或軍事領域，應急通信指揮都對車載移動通信系統的機動性和生存能力提出了很高的要求。目前大多數衛星通信地面終端采用傳統的拋物面天線，但這種天線不僅體積大、重量沉，而且造價高、加工難度大，尤其是無法適用于對機動性很高的車載移動衛星通信。

微帶天線以其低剖面、重量輕、易共形，易于加工以及饋電方式多樣化等特點越來越受到關注，已經被廣泛應用于衛星通信系統中，而其中微帶雙極化天線一直以來都是研究與應用最多的一種天線形式[1]。目前常見的微帶雙極化天線的激勵方式主要采用口徑耦合饋電[2－5]，即通過在地板上開正交的縫隙來進行饋電。這種饋電的好處是拓展了帶寬，降低了交叉極化，而且減少了饋電網絡對天線輻射單元的耦合。但缺點是對加工精度要求高，加工工藝復雜，而且口徑的存在增加了天線的背向輻射，往往需要在天線的下方增加一塊反射板，增加了天線的高度和重量。此外，口徑耦合的效率也沒有直接饋電高，組陣后難以獲得較高增益。

針對低剖面、高增益、適于批量生產等實際應用需求，本文結合共面饋電和探針背饋兩種不同的饋電方式設計了一種Ku頻段的高增益雙極化天線單元。單元采用方形貼片，兩個極化的饋電點分別位于方形貼片相鄰的兩邊中點，結構緊湊，而且可以很方便地進行組陣。在此單元的基礎上綜合利用層疊貼片、反向饋電等技術，組成了工作在14～14.5 GHz頻段的96元陣列天線，該陣列天線較好地抑制了交叉極化，同時也得到了較高的口徑效率。使用CST軟件對天線進行了仿真和優化，最后實際制作并進行了測試，測試結果顯示了設計的合理性和可行性。

2.單元設計

圖1所示為天線單元結構示意圖，從上至下共三層介質板。單元采用雙層方形貼片，由激勵貼片和寄生貼片組成。其中，激勵貼片位于第二塊介質板 的上層，邊長為λe/2（λe為等效波長），寄生貼片位于第一塊介質板的下層，第一、二塊介質板之間為空氣層。常見的矩形貼片天線因輸入阻抗過大而難于進行阻抗匹配，然而引入這種倒置形式的寄生貼片以后，將使天線單元非常易于調諧。此外，第一層介質板還起到了天線罩的作用。

兩種極化采用不同方法饋電，如圖1（a）所示，水平極化的饋電網絡位于第二塊介質板的上層，與激勵單元共面，垂直極化的饋電網絡位于第三塊介質板的下層，采用探針背饋，第二、三塊介質板之間為共用的地。饋電時，兩者分別激勵起相互正交的TM10模和TM01模，實現雙線極化工作。

圖1 天線單元結構圖

用CST軟件對單元進行仿真，單元接地板的長和寬均設置為0.8λe.通過微調寄生貼片的大小可以獲得較大的阻抗帶寬，本文的設計中令寄生貼片和激勵貼片大小相等即可滿足帶寬需求。通過調節空氣層的高度可以獲得較高的增益[6]，在本單元的設計中，沒有對空氣層高度進行高精度掃描，而是綜合考慮增益和剖面高度，選取空氣層高度hp為0.1 λe，此時增益并不是最優值，但是相對較高，已經符合設計要求，見表1。結果顯示，仿真得到的單元天線增益為7.8～8 dBi.

表1 空氣層高度對單元增益的影響

3.陣列設計

為了獲得高增益，必須對微帶天線進行組陣，而陣列的設計核心在于饋電網絡的設計。首先利用上述單元設計了四元陣，如圖2所示，兩種極化的饋電網絡均采用并饋形式。水平極化饋電網絡中，左右兩個相鄰的貼片單元之間采用等幅反向饋電，上下兩組貼片之間采用等幅同向饋電；垂直極化饋電網絡正好相反，左右相鄰貼片之間采用等幅同向饋電，上下兩組之間采用等幅反向饋電。反向饋電技術的引入達到了抑制交叉極化的效果。此外，考慮到水平極化網絡與激勵單元共面會帶來不必要的耦合和寄生輻射，所以大部分饋線設計成彎折線，并保證各接頭處相對垂直，這種結構降低了直線型網絡帶來的耦合[7]。用CST仿真時，陣元間距設為0.8λe，增益達到最大化，14.25 GHz處水平極化增益的仿真值為13.7 dBi，垂直極化增益的仿真值為14.1 dBi.反射系數隨頻率變化的仿真曲線如圖3所示，可見仿真的阻抗帶寬在15%以上，可以利用該四元陣組成更大的陣列。

利用CST仿真軟件在以上四元陣基礎上進一步設計了96元的雙極化天線陣列，并制作了實物，三層介質板均是Arlon AD系列板材，介電常數為2.55，厚 度 均 為 0.762 mm，空 氣 層 的 厚 度 為1.5 mm.天線實物圖如圖4所示。為了降低饋線插損以及饋線與鄰近貼片之間的耦合，兩種極化端口的輸出口均用同軸線背饋的方式。

為了降低旁瓣，本文對兩層饋電網絡均進行了幅度加權，使得天線陣電流幅度呈現中間大兩邊小的分布，加權的比例通過微擾饋電網絡中功分節點處的微帶線阻抗來控制。如果將整個96元陣列在方位面內等效劃分為4個8×3的子陣，那么加權的效果是這4個子陣等效獲得的電流幅度比例約為3∶4∶4∶3，當然這只是一個基于阻抗變換原理的估算值，并不十分精確，為此需要根據旁瓣電平抑制的效果對饋電網絡不斷做出修改。

在上述基礎上，針對增益和方向圖分別對兩層饋電網絡進行優化仿真，從而提高陣列的口徑效率。

4.測試結果

用Agilent的矢量網絡分析儀對該96元陣列的S參數進行了測量，測量結果如圖5所示。其中，水平極化端口在13.4～15 GHz頻帶內回波損耗低于－10 d B，相對阻抗帶寬為11.3%；垂直極化端口在13.28～15.24 GHz頻帶內回波損耗低于－10 dB，相對阻抗帶寬為13.7%。從圖5中可以看出，實測和仿真的曲線基本吻合，局部頻率發生少許偏移可能是由有限的加工精度引起的。

圖5 96元陣列天線S參數仿真與實測結果

在戶外半開放空間對天線進行了方向圖和增益的測試。圖6給出了14.25 GHz時兩種極化測得的主極化和交叉極化方向圖（E面和H面），并與仿真結果進行對比。由圖6可見，水平極化E面的旁瓣電平為－11.3 d B，H面的旁瓣電平為－15.5 dB，交叉極化電平低于－30 dB；垂直極化E面的旁瓣電平為－14.7 dB，H面的旁瓣電平為－12.7 dB，交叉極化電平低于－30 dB.其中，水平極化E面存在兩個問題：旁瓣電平偏高，表明在對天線陣列水平極化網絡進行幅度加權時沒有控制好加權比例，有待于在后面的工作中進一步改善；交叉極化電平偏高，主要是由于測量時天線H面的中心難以精確對準發射源，有微小的偏移。除此之外實測和仿真結果吻合的很好。

表2給出了陣列天線的仿真與實測增益，實測增益比仿真增益低0.5～1 d B.由此可見，若考慮天線焊接、SMA接頭等帶來的誤差，實測增益與仿真增益十分相近，說明饋電網絡設計的比較合理，饋線損耗較小。

表2 96元天線陣列的仿真和實測增益

5.結 論

本文設計了一種新型的工作于Ku波段的96元雙極化微帶天線陣列，綜合運用了層疊貼片技術、反向饋電技術，在獲得高增益的基礎上拓展了帶寬。實際加工的96元陣列測試結果表明：兩個極化的增益均達到26 d Bi，口徑效率約為51%，水平極化端口相對阻抗帶寬達11.3%，垂直極化端口相對阻抗帶寬達13.7%，兩端口隔離度高于40 d B.此外，這種微帶天線陣列具有體積小、重量輕、結構簡單、易于加工等特點，可以很方便地以此96元陣列為模塊進行組陣，通過控制各個模塊之間的幅相分配，得到更高性能的天線陣列，應用到衛星通信中。

[1] 鐘順時.微帶天線理論與應用[M] .西安電子科技大學出版社，1991.

[2] GHORBANI K，WATERHOUSE R B.Dual polarized wide－band aperture stacked patch antennas[J] .IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，52（8）：2171－2174.

[3] EDIMO M，SHARAIHA A，TERRET C.Optimised feeding of dual polarised broadband aperture－coupled printed antenna [J] .Electronics Letters，1992，28（19）：1785－1787.

[4] 梁仙靈，鐘順時，汪 偉.高隔離度雙極化微帶天線直線陣的設計[J] .電子學報，2005，33（3）：553－555.LIANG Xianling，ZHONG Shunshi，WANG Wei.Design of a dual－polarized linear microstrip antenna array with high isolation[J] .Acta Electronica Sinica，2005，33（3）：553－555.（in Chinese）

[5] 王 宇，姜 興，李思敏.Ku波段寬頻帶雙極化微帶天線陣的設計[J] .電波科學學報，2008，23（2）：276－279.WANG Yu，JIANG Xing，LI Simin.Design of a broadband and dual－polarized microstrip array antenna at Ku band[J] .Chinese Journal of Radio Science，2008，23（2）：276－279.（in Chinese）

[6] NISHIYAMA E，AIKAWA M，EGASHIRA S.Stacked microstrip antenna for wideband and high gain[C] //IEE Proc.－Microw.Antennas Propag.，2004，151（2）：143－148.

[7] 楊 光，金榮洪，耿軍平.微帶天線陣列的一種新穎饋電網絡[J] .中國電子科學研究院學報，2009，4（2）：202－204.YANG Guang，JIN Ronghong，GENG Junping.A novel feed network for microstrip antenna array[J] .2009，4（2）：202－204.（in Chinese）