双极化共面波导馈电缝隙单极子天线研究

宋立众 周辉媛 宋传超

摘要：      本文研究了一种双极化共面波导馈电缝隙单极子天线。 该天线采用缝隙单极子天线作为天线单元， 采用水平正交的方式實现双极化。 该天线的馈电方式为共面波导馈电， 并与SMA连接。 在天线底部增加反射板， 增强天线的辐射方向性并且提高天线增益。 采用电磁仿真软件CST对该双极化天线结构进行建模仿真和优化设计， 工作带宽为4.1～4.6 GHz。 仿真结果表明， 在工作范围内， 天线的驻波比低于2.2， 隔离度高于20.836 4 dB， 天线辐射方向图的方向性良好， 增益在5.73 dBi以上， 波束宽度在37°以上。 对设计的天线进行加工测试， 测试结果表明， 天线的辐射方向性较强， 驻波比和隔离度达到了预期要求， 验证了该天线设计的可行性和有效性。

关键词：     双极化天线; 缝隙单极子天线; 共面波导; 电压驻波比

中图分类号：      TJ765; TN820文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2019）03-0046-06[SQ0]

0引言

电磁波中不仅包含幅度、 相位、 频率和方向性， 还包括极化特征。 天线的极化特征是指天线在最大辐射方向电场矢量的取向。 双极化技术具有提高通信容量、 极化捷变的能力[1]， 且抗干扰能力强。 双极化天线能够同时接收电磁环境中的全部极化信息。 天线是系统中的关键技术之一， 天线性能的好坏决定了系统性能的优劣。 因此， 双极化天线成为国内外天线研究者的研究焦点， 并且极化技术是解决极化雷达问题的有效手段之一， 被广泛应用到被动雷达和电子侦察等军事和民用领域。

常见的双极化天线主要包括双极化微带贴片天线[2]、 双极化偶极子天线[3]和双极化缝隙天线[4]等。 天线的关键参数包括交叉极化[5]、 工作频带[6]、 电压驻波比[7]、 端口隔离度和波束宽度， 以及辐射方向图[8]和辐射增益。 同时， 在实际工程实践中， 需要考虑天线安装结构、 馈电方式、 组阵方式和材料成本因素， 因此， 设计和研制适合于实际工程应用的双极化天线单元具有重要的实际意义。

双极化缝隙天线作为研究热点， 研究成果较多。 例如， 文献[9]提出一种具有5个谐振点的紧凑型双极化缝隙天线， 该天线由两部分组成， 分别是三阶缝隙谐振器和一对交叉的单极子， 通过给两个位置对称相反的槽线馈电的方式实现双极化， 隔离度高于32 dB。 文献[10]提出一种低剖面双极化SI缝隙天线， 该天线通过给两个正交的SI槽构成的微带线馈电实现双极化并组成四元天线阵， 天线隔离度在35 dB以上。 宋国栋等人[11]提出一种新型双极化波导缝隙天线， 通过在水平极化天线上使用非倾斜窄边缝波导缝隙天线阵的方法解决水平极化的交叉极化差的问题， 在垂直极化天线上采用非对称脊波导宽边开缝波导缝隙天线阵的方法解决垂直极化的交叉极化问题， 从而提高天线增益和隔离度。 高国明等人[12]提出一种双极化微带缝隙天线单元， 该天线通过在地面刻蚀十字缝隙并水平正交馈电实现双极化天线。 吴锟等人[13]提出一款L/S波段双频双圆极化缝隙天线， 该天线通过在L波段圆极化平面缝隙天线上增加寄生贴片的方法实现双频双圆极化天线， 在地上刻蚀圆环并用一个矩形缝隙切断圆环， 在天线上方增加圆形寄生贴片， 通过互耦作用实现双极化， 王小毅等人[14]提出一款双极化缝隙天线， 该天线采用4条长短不一的正交缝隙臂和正方形环状缝隙的结构以及微带缝隙耦合的馈电方式实现双频圆极化天线。 文献[15]提出一种双极化缝隙天线， 两个完全相同的缝隙阵列采用共面波导串联馈电的方式实现双极化， 天线采用单层介质板， 并且天线单元在介质板的两侧排列， 加工成本低、 隔离度高。 文献[16]设计了一款宽带双极化平面环形槽天线， 该天线通过不同的馈电机制实现极化正交， 水平极化是通过曲折线耦合槽激发出来的， 垂直极化通过一阶磁单极子馈电获得， 从而实现较高的隔离度。 陈显明等人[17]提出一种双极化MIMO超宽带方环缝隙天线， 该天线的天线单元底层由2个方环微带线组成， 顶层由2个对称的方环构成， 采用电磁耦合的馈电方式。

双极化缝隙天线分为线极化天线和圆极化天线， 结构比较多样。 常见的馈电方式有共面波导馈电、 微带缝隙耦合馈电和同轴馈电。 共面波导的传输线与地在介质板的一侧， 便于实现低剖面和共形。 共面波导结构简单、 便于计算， 较易实现阻抗匹配， 并且这种馈电方式能够降低辐射损耗， 便于集成。 因此， 本文提出一种双极化共面波导馈电缝隙单极子天线的实现方案， 主要讨论了该天线的结构和辐射性能的电磁仿真与优化问题， 对所设计的天线进行加工测试， 给出具体的测试结果， 满足天线的基本要求， 为实际应用奠定了技术基础。

1天线结构设计

本文讨论的双极化共面波导馈电缝隙单极子天线的结构模型如图1所示。 图1（a）为天线的俯视图， 可以看到天线外部整体结构以及双极化结构。 该天线采用两个共面波导馈电的缝隙单极子天线水平正交放置实现双极化。 天线的金属厚度为0.036 mm， 采用的馈电方式为共面波导馈电， 采用内芯直径为1.27 mm的SMA。 天线的辐射方向为垂直天线表面向上辐射， 在天线底部增加一个反射板有助于增加天线辐射增益， 提高天线的辐射方向性， 结构侧视图如图1（b）所示。 该天线采用相对介电常数为4.3的FR-4板材， 介质板和反射板的厚度均为1 mm。 所设计的天线结构可靠、 性能稳定、 成本较低， 而且容易保证加工精度的一致性。

采用仿真软件CST对天线进行参数建模， 进而对天线的辐射性能进行计算和优化。 图2给出了所设计的双极化共面波导馈电缝隙单极子天线的工程图， 标注的尺寸单位为mm。

2天線的电磁仿真分析

采用全波电磁仿真软件CST对双极化共面波导缝隙单极子天线进行参数建模， 根据性能要求对天线结构参数进行参数扫描和设计。 所设计的天线反射系数如图3所示， 可以看出， 在4.1～4.6 GHz范围内反射系数约小于-8.436 2 dB， 隔离度高于20.836 4 dB， 且端口1和端口2的反射系数一致。

本文设计的双极化共面波导馈电缝隙单极子天线在4.1 GHz和4.6 GHz时的辐射方向图仿真结果如图4～5所示，  分别给出了天线两个端口的xoz面和yoz面的辐射方向图。 可以看出， 该天线的辐射方向图波束较宽， 波束形状规则， 天线增益均在5.73 dBi以上， 最大可达8.36 dBi， 天线的增益较高， 天线后瓣较小。 端口1的yoz面和端口2的xoz面的方向图略有凹口， 但增益仍然很高。

可以看出， 在工作频带内， 端口2两面的波束宽度波动较小， yoz面的波束宽度在96°～102.2°， xoz面的波束宽度在38.8°～49.4°， 且随着频率的升高逐渐增大， yoz面的波束宽度比xoz面的宽， 端口1的yoz面波束宽度波动较大， 波束宽度在37°～95°， xoz面的波动平缓， 波束宽度在83.3°～93°， 随着频率的升高逐渐增大， 但整体性能较好。

3天线的加工测试与分析

根据上述天线设计结果， 对设计的双极化共面波导馈电缝隙单极子天线进行了加工、 组装和测试， 图7所示为天线加工后的实物照片。

图8给出了加工设计的天线的输入端电路特性的测试结果， 在工作频带范围内， 天线的反射系数约低于-10 dB。 端口1的反射系数与仿真结果接近， 端口2的反射系数比仿真结果的谐振点多， 端口2的反射系数比端口1的更好。 隔离度的测试结果与仿真结果接近， 但比仿真结果略优。 仿真结果接近但有一定偏差， 这可能是由于加工和安装误差引起的。

本文设计的双极化共面波导馈电缝隙单极子天线在4.1 GHz和4.6 GHz时辐射方向图仿真结果如图9～10所示， 分别给出了xoz面和yoz面的辐射方向图。 可以看出， 天线的主极化方向性较强， 4.1 GHz时端口1的xoz面和4.6 GHz时端口2的yoz面交叉极化较差， 端口1的xoz面和4.6 GHz时端口2的yoz面的波束宽度较窄。 天线端口1的yoz面交叉极化和端口2的xoz面交叉极化较低。 同时， 在方向图测试中， 由于天线的测试安装误差以及天线的加工不理想等因素， 测试的方向图形状有一定的起伏现象， 且主波束方向略有偏离， 这导致测试结果与仿真结果有一定差异。

4结论

极化信息处理技术是提高现代雷达系统性能的有效途径之一。 极化敏感天线是极化雷达研制中的关键技术环节。 双极化天线能够同时接收电磁环境中的全部极化信息， 成为电子侦察和被动雷达等领域的研究热点。 本文提出并设计了一种双极化共面波导馈电缝隙单极子天线， 频率覆盖范围为4.1～4.6 GHz， 给出了全波电磁仿真结果， 其仿真结果达到了预期的指标要求。 同时， 开展了试验加工和测试结果工作， 验证了设计方案的可行性。 本文的研究成果为其实际工程应用提供了有利的技术参考。

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