一種Ku/K波段寬帶圓極化陣列天線的設(shè)計(jì)

蔣光明，楊曉慶，周 健

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

相控陣天線具有掃描波束可調(diào)、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)和通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。與線極化天線相比，圓極化天線具有更好的抗多徑失真和極化失配性能，因此廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)圓極化相控陣天線提出了更高的要求，如寬帶寬角掃描、寬軸比波段、低剖面等。

交叉偶極子天線由于其優(yōu)越的圓極化特性，近年來(lái)得到了廣泛的研究。這類天線不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)就可以產(chǎn)生圓極化輻射。近年來(lái)，在寬帶圓極化天線需求的驅(qū)動(dòng)下，提出了幾種提高阻抗和軸比帶寬的交叉偶極子技術(shù)。一種典型的設(shè)計(jì)方法為將偶極子形狀變?yōu)榫匦闻紭O子、蝴蝶結(jié)偶極子和橢圓偶極子，帶寬分別增加到27%、43.5%和96.6%。另一個(gè)重要的方法是使用寄生元件。文獻(xiàn)［4］中，在交叉偶極子的兩個(gè)臂之間引入了一個(gè)簡(jiǎn)單的寄生元件，以產(chǎn)生額外的諧振，從而將軸比帶寬擴(kuò)大到約58.6%。到目前為止，交叉偶極子天線在Ku/K波段還沒(méi)有應(yīng)用，它們主要在10 GHz以下工作。

本文首先設(shè)計(jì)了具有寬頻帶特性的交叉偶極子單元，單元利用雙枝節(jié)和加載寄生貼片設(shè)計(jì)拓寬了阻抗帶寬，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單元實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真特性基本吻合。陣列采用小角度順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)降低了軸比。最后設(shè)計(jì)的8×8陣列進(jìn)行仿真分析，具有良好的寬帶和寬角掃描特性。

1 天線單元設(shè)計(jì)

天線單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，單元包含交叉偶極子、四個(gè)寄生元件、金屬化通孔和等效的饋電結(jié)構(gòu)。交叉偶極子印制在羅杰斯RO4350基板的兩側(cè)，基板的相對(duì)介電常數(shù)為3.66，損耗正切為0.004，厚度為0.254 mm。每個(gè)偶極臂由兩個(gè)不同長(zhǎng)度的分支組成，其中較長(zhǎng)的分支設(shè)計(jì)在22.5 GHz的頻率下左右工作，較短的分支的引入是為了增加諧振點(diǎn)以提升帶寬。為了產(chǎn)生圓極化輻射，正交的偶極子由一個(gè)長(zhǎng)度約為/4（中心頻率為22.5 GHz）的金屬環(huán)連接，可實(shí)現(xiàn)90°相位延遲。四個(gè)扇形寄生貼片位于四個(gè)偶極子臂之間，以提高阻抗帶寬。在K波段，單元天線的邊長(zhǎng)約為7 mm×7 mm，傳統(tǒng)的金屬背腔和具有交叉偶極子的同軸線在工程上難以組裝。使用具有金屬化過(guò)孔的介質(zhì)基板可替代金屬腔，這樣的設(shè)計(jì)使得剖面高度降低，同時(shí)便于組裝和加工。圍繞中心通孔的五個(gè)金屬化通孔取代了同軸線。金屬化過(guò)孔位于交叉偶極子周圍，如圖1（b）所示，代替了傳統(tǒng)的金屬腔，在增強(qiáng)輻射的同時(shí)能夠抑制陣列中單元之間的耦合。天線單元的參數(shù)如表1所示。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

表1 天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)/mm

為了深入了解天線的工作方式，利用HFSS仿真軟件分析偶極子長(zhǎng)短枝節(jié)長(zhǎng)度（W和W）和枝節(jié)間的間距（）對(duì)于天線性能的影響。圖2顯示了不同參數(shù)對(duì)于天線阻抗帶寬的影響。圖2（a）說(shuō)明了分支長(zhǎng)度對(duì)阻抗帶寬的影響。長(zhǎng)度的變化主要影響阻抗帶寬的下半頻帶，因?yàn)橄掳腩l帶主要是由偶極子兩個(gè)枝節(jié)間的共振產(chǎn)生的。分支長(zhǎng)度的變化對(duì)低頻段有很大的影響。為了獲得更好的阻抗帶寬性能，W和W分別設(shè)計(jì)為2.25 mm和2.6 mm。從圖2（b）可以觀察到，枝節(jié)間隙的s也會(huì)影響下頻帶的共振頻率。隨著間隙的減小，低頻段的諧振頻率增加，而22.5 GHz的諧振頻率幾乎不變。圖中連續(xù)的曲線即為實(shí)際采用的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以看出天線單元在15.5 GHz～23.5GHz的頻段內(nèi)均小于-10 dB。

圖2 不同參數(shù)下天線的阻抗帶寬

圖3展示了天線單元的加工實(shí)物及和軸比的測(cè)試結(jié)果。從結(jié)果可以看出，天線單元的參數(shù)在低頻附近較為吻合，在22 GHz附近諧振點(diǎn)有一定的偏差，可能是加工精度和誤差的影響。天線最大輻射方向的軸比性能如圖3（c）所示?？梢钥闯?，天線的軸比在高頻22 GHz附近表現(xiàn)較好，到低頻時(shí)，軸比逐漸增大，這是由于交叉偶極子中心環(huán)的長(zhǎng)度設(shè)置為高頻處的四分之一波長(zhǎng)所致。陣列的軸比特性可以通過(guò)采用小角度順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)改善，實(shí)現(xiàn)軸比小于3 dB的特性。

圖3 天線單元的加工實(shí)物及S11和軸比的測(cè)試結(jié)果

2 六十四元天線相控陣設(shè)計(jì)

應(yīng)用了小角度順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)的天線陣列示意圖和天線實(shí)物如圖4所示。相鄰的天線單元共用金屬化過(guò)孔，兩個(gè)相鄰單元之間的間距為7 mm，約為22.5 GHz時(shí)波長(zhǎng)的一半。

圖4 應(yīng)用小角度旋轉(zhuǎn)布陣

理論上，橢圓極化波能被分解為右旋圓極化波和左旋圓極化波。橢圓極化波的復(fù)矢量可以表示為：

其中，

圖5顯示了不同掃描角度下相控陣的峰值增益和軸比特性。從圖5可以看出，隨著頻率的增加，陣列的增益也隨之增加，掃描角theta=0°時(shí)，陣列的平均增益為21.3 dBi；掃描到±60°時(shí)，陣列的增益基本大于15 dBi。由于采用了小角度順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)，64元的陣列在軸比特性上表現(xiàn)良好，從15.5 GHz到23.5 GHz，掃描角度±60°，在phi=0°和phi=90°平面內(nèi)，陣列的軸比基本均小于3 dB。

圖5 相控陣天線的軸比（AxialRatio）和右旋極化增益（Realized RHCP Gain），掃描角度theta（-60°到60°）

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種易于集成的低剖面寬帶圓極化交叉偶極子天線陣列。引入了兩個(gè)彎曲分支和四個(gè)寄生貼片來(lái)拓寬阻抗帶寬。用介質(zhì)基板代替空氣層，使天線陣的剖面高度變低，易于加工和組裝。仿真結(jié)果表明，該天線具有41%（15.5 GHz～23.5 GHz）的阻抗寬帶，陣列在phi=0°和phi=90°時(shí)可以實(shí)現(xiàn)從-60°到60°掃描特性，軸比小于3 dB，增益大于15 dBi。寬阻抗帶寬、大角度掃描和低剖面使該天線陣列在衛(wèi)星通信的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。