《電子技術(shù)應(yīng)用》
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用于衛(wèi)星通信的Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線陣
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2010年第6期
徐永杰, 姜 興
桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 廣西 桂林 541004
摘要： 利用口徑耦合饋電、錯(cuò)位倒相饋網(wǎng)技術(shù)和單層微帶貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種用于衛(wèi)星通信的Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶四元天線陣。用電磁仿真軟件CST2008對(duì)天線陣的電特性進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。四元天線陣實(shí)測(cè)結(jié)果表明：水平極化端口在11.21 GHz～13.47 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR≤1.5，相對(duì)阻抗帶寬為18.3%；垂直極化端口在13.43 GHz～14.88 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR≤1.5，相對(duì)阻抗帶寬為10.24%。工作頻帶內(nèi)兩端口隔離度<-35 dB，最大增益為13.2 dB，與仿真結(jié)果一致。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN965·2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
Wideband dual-frequency and dual-polarization microstrip antenna array at Ku-band for satellite communications
XU Yong Jie, JIANG Xing
School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
Abstract： In this paper, a wideband dual-frequency and dual-polarization microstrip antenna of four-element array at Ku-band for satellite communications is described, which is based on aperture-coupled feeding, anti-phase feeding technique and single-layer microstrip patch structure. The parameters of antenna are simulated and optimized by the simulator of CST2008. From the measurement results of four element array antenna: the relative impedance bandwidths are 18.3% from 11.21 GHz to 13.47 GHz for horizontal polarization channels and 10.24% from 13.43 GHz to 14.88 GHz for vertical polarization channels, which 1.5 are obtained, respectively. The isolation between the two ports is less than -35 dB across the entire operating bandwidth, the maximum gain is about 13.2 dB，which agrees well with the simulated ones.
Key words : wideband; dual-frequency and dual-polarization; aperture-coupled; microstrip array antenna

    現(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)天線提出了更高的要求，不僅要求天線小型化、重量輕、具有良好的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性，同時(shí)為滿足收發(fā)一體化和大容量通信的需求，還要求天線具有雙頻、雙極化及寬帶特性。微帶天線具有體積小、重量輕、平面結(jié)構(gòu)、能與載體共形、饋電方式和極化形式多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，倍受人們青睞。但微帶天線在帶寬、雙頻和雙極化等方面的性能都難以適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求。目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了展寬微帶天線的工作帶寬、實(shí)現(xiàn)雙頻、雙極化工作的一系列研究并取得了一些成果[2-4]。研究中多采用多層貼片結(jié)構(gòu)，有效地增加了工作帶寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且匹配困難，同時(shí)也增加了天線成本和調(diào)試難度，限制了它在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。為了滿足現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求，綜合運(yùn)用了口徑耦合饋電、單層貼片結(jié)構(gòu)和引入空氣層等方式設(shè)計(jì)出一種工作在Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線單元，并在此單元的基礎(chǔ)上，在饋電網(wǎng)絡(luò)部分運(yùn)用了錯(cuò)位倒相技術(shù)設(shè)計(jì)出了2&times;2元微帶天線陣。用電磁仿真軟件CST2008對(duì)該天線陣進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了天線陣實(shí)物。文中給出了實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果，兩者吻合較好。
1 天線單元的設(shè)計(jì)
　設(shè)計(jì)的天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為天線單元的側(cè)視圖，圖1(b)為天線單元的俯視圖。天線的主體由三層介質(zhì)板組成。方形輻射貼片倒置于第一層介質(zhì)板的下面，這樣布置可使介質(zhì)板起到天線罩的作用。第二層介質(zhì)板上面是開(kāi)縫接地板，刻有一對(duì)H型縫隙成軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)良好的交叉極化和隔離度特性，2個(gè)H型縫隙呈T字型放置。兩層介質(zhì)板之間由空氣層隔開(kāi)，引入空氣層以降低微帶天線 Q值，從而達(dá)到增加帶寬的目的。第三層介質(zhì)板把實(shí)現(xiàn)雙極化的兩套饋電網(wǎng)絡(luò)隔開(kāi)，有利于網(wǎng)絡(luò)布線和提高隔離度。饋線由兩個(gè)相互正交的50 &Omega;微帶線組成，微帶饋線均采用中心正饋的方式，以增強(qiáng)輻射貼片與饋線之間的耦合。為了減少H型縫隙所引起的背向輻射，在離接地板四分之一波長(zhǎng)處加了一塊金屬反射板，這也有利于提高天線的增益。輻射單元采用&epsilon;r1=2.2，h1=1 mm的聚四氟乙烯板，饋電介質(zhì)板采用&epsilon;r2=&epsilon;r3=3.38，h2=h3=0.305 mm的陶瓷碳?xì)浠旌衔锇濉?/p>

　根據(jù)口徑耦合微帶天線的傳輸線模型理論[5]，初步確定天線的幾何尺寸（包括貼片尺寸、縫隙尺寸、饋線開(kāi)路枝節(jié)的長(zhǎng)度）。天線單元的等效電路如圖2所示。

       

a為天線單元長(zhǎng)度，x0為縫隙的位置。
    諧振頻率主要由n12Ypatch+Ya p決定。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)路終端微帶饋線的長(zhǎng)度和H型縫隙的尺寸、位置以及輻射貼片的大小來(lái)改善天線的阻抗匹配特性，以形成雙頻諧振點(diǎn)和提高端口的頻帶寬度。完成初步設(shè)計(jì)后，得到滿足電性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后用電磁仿真軟件對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后天線單元各參數(shù)如表1所示。

2 天線陣列的設(shè)計(jì)
　2&times;2元微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)分布如圖3所示。饋電網(wǎng)絡(luò)采用并饋形式，由多個(gè) T 形功分器連接，其中采用多節(jié)阻抗變換器進(jìn)行阻抗匹配以便展寬頻帶。設(shè)計(jì)中充分考慮了饋電網(wǎng)絡(luò)中不必要的輻射和損耗對(duì)天線增益帶來(lái)的影響[6-7]。為了抑制交叉極化[8]，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了錯(cuò)位倒相技術(shù)。對(duì)于水平方向的相鄰貼片，水平極化端口間采用等幅反相饋電，垂直極化端口間則采用等幅同相饋電；對(duì)于垂直方向的相鄰貼片，水平極化端口間采用等幅同相饋電，而垂直極化端口間采用等幅反相饋電。這種饋電方式使得激勵(lì)的主極化輻射同向疊加，交叉極化輻射反向抵消，同時(shí)也改善了2個(gè)極化端口的隔離度[9]。天線陣陣元間距為17 mm（約0.7&lambda;1，中心頻率為12.3 GHz；約0.8&lambda;2，中心頻率為14.2 GHz）。

3  天線陣仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果
    基于以上設(shè)計(jì),用電磁仿真軟件CST2008 對(duì)該天線陣進(jìn)行了電磁仿真和優(yōu)化，仿真得到天線陣兩端口的駐波比如圖4所示，兩端口的隔離度如圖5所示。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了四元天線陣實(shí)物模型如圖6所示。

    使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線陣兩端口駐波比和隔離度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖4、圖5所示。水平極化端口在11.21 GHz～13.47 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR&le;1.5，相對(duì)阻抗帶寬為18.3%；垂直極化端口在13.43 GHz～14.88 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR&le;1.5,相對(duì)阻抗帶寬為10.24%。在11 GHz～15 GHz整個(gè)頻帶范圍內(nèi)兩個(gè)極化端口的隔離度優(yōu)于35 dB。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好，可見(jiàn)該天線陣具備良好的帶寬和雙頻特性。
    最后，對(duì)天線陣的方向圖進(jìn)行了測(cè)量。圖7給出了天線陣在水平極化端口12.3 GHz頻率處仿真與實(shí)測(cè)E面和H面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。圖8給出了天線陣在垂直極化端口14.2 GHz頻率處仿真與實(shí)測(cè)E面和H面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。在12.3 GHz頻率處,實(shí)測(cè)天線陣最大增益為13.3 dB，主瓣方向?yàn)樘炀€法線方向。主瓣寬度E面約為33.8&deg;，H面約為35.4&deg;，第一旁瓣電平為-13.6 dB。在14.2 GHz頻率處，天線陣最大增益為11.9 dB, 主瓣寬度E面約為31.2&deg;，H面約為29.5&deg;，第一旁瓣電平為-10.9 dB。實(shí)測(cè)天線方向圖和仿真結(jié)果略有偏差,可能是因測(cè)試環(huán)境影響所致。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該天線陣電性能和輻射特性良好，并能滿足工程應(yīng)用要求。


    綜合運(yùn)用口徑耦合饋電、錯(cuò)位倒相饋網(wǎng)技術(shù)和單層微帶貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種用于衛(wèi)星通信的Ku波段寬帶雙頻雙極化四元微帶天線陣。設(shè)計(jì)的雙頻雙極化天線陣水平極化端口在11.21 GHz～13.47 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR&le;1.5,相對(duì)阻抗帶寬為18.3%；垂直極化端口在13.43 GHz～14.88 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR?燮1.5,相對(duì)阻抗帶寬為10.24%。在11 GHz～15 GHz整個(gè)頻帶范圍內(nèi)兩個(gè)極化端口的隔離度優(yōu)于35 dB，實(shí)測(cè)天線陣最大增益為13.3 dB, 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好，可作為高增益寬帶雙頻雙極化微帶天線陣組陣的子陣，滿足其在衛(wèi)星通信、車(chē)載雷達(dá)通信和散射通信等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。
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