C波段宽带双极化微带贴片天线设计

金秀梅，叶顺涛，李运志，赵继明，吴志锋

(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230088 )

0 引言

微带天线与微波天线相比，具有剖面低、体积小、重量轻和易与馈线网络一体化集成设计等优点，广泛应用于雷达和通信领域[1-3]。

对于双极化微带贴片天线的研究，主要有探针馈电双层微带贴片天线[4-6]、微带线共面馈电贴片天线[7]以及缝隙耦合微带天线[8]。探针馈电由于探针的工程实现局限性，不利于阵列天线的加工实现；微带线共面馈电是一种最简单的馈电方式，由于辐射贴片和馈线处于同一层，同时由于色散和寄生辐射的影响，会导致天线交叉极化水平一般，故多用于单极化天线或与其他馈电方式混合应用于双极化天线设计中；缝隙耦合微带天线由于馈线和辐射贴片不在同一层，与共面馈电方式相比天线带宽相对较宽，设计自由度和灵活度较好，辐射贴片和馈线的板材可以选用不同规格，设计独立性较好[9-11]。文献[12-16]均对不同形式的微带天线结构形式进行了研究，因此为了展宽带宽和获得好的交叉极化，将双层微带贴片和缝隙耦合技术相结合，给出一种适合用于双极化微带阵列天线的天线设计。

本文提出一种宽带双极化微带贴片天线，为展宽带宽，天线采用双层矩形微带贴片形式，为了使2种极化具有较好的一致性，在地板上开一对相互垂直的H型耦合缝隙作为口径耦合馈电，馈电微带线均采用T字型耦合结构。对双极化辐射单元和二元阵进行了分析，工作于3.4～4.2 GHz，具有良好的端口隔离度和高交叉极化抑制度。基于双极化微带天线单元，设计了二元阵，可以作为面子或线阵的基本单元。

1 天线结构

方形贴片具有易于工程制造特点，同时具有良好的正交极化特性，故本文双极化微带天线单元的辐射贴片采用矩形结构，为展宽带宽采用双层贴片结构，和H型耦合缝隙馈电，结构示意图如图1所示。

图1 天线单元结构示意Fig.1 Schematic diagram of antenna unit structure

天线从上到下分为5层结构。第1层为介质板1，其正面不覆铜，寄生贴片刻蚀于底面，同时充当天线罩的作用；第2层为介电常数近似为1的泡沫，起到支撑介质板1的作用，由于泡沫的介电常数较低，相当于降低了介质板1的等效介电常数，实现宽带谐振；第3层介质板2的正面刻蚀矩形贴片，背面刻蚀一对相互垂直的H型缝隙；第4层为介质板3，其背面刻蚀一对相互正交的T字型馈线；第5层为金属屏蔽腔，将上述馈线包裹在内部，同时充当天线单元的接地板，减小背向辐射；其中介质板2和介质板3通过半固化片粘合。

2 天线单元分析

天线单元俯视图如图2所示。三层介质板选用罗杰斯RT6002介质板，介电常数为2.94，介质板3板基片厚度为0.762 mm，其他介质板基片厚度为1 mm，覆铜厚度为0.018 mm。

为了得到较宽的带宽，同时保证2个极化具有较好的一致性，2种极化采用相同的馈电方式，均采用H型耦合缝隙馈电，馈线也采用相同T型支接进行阻抗匹配。H型耦合缝隙开在介质板2的底面，将辐射贴片和馈线分隔在不同的层，避免了馈线对辐射贴片的干扰。

运用三维电磁仿真软件HFSS对天线单元进行优化仿真，贴片边长约为工作波长的一半，经对天线各个参数进行优化，取寄生贴片边长为26 mm，矩形贴片边长17 mm，为方便阵列布局，馈线尽量选用高阻抗，本文馈线采用100 Ω(线宽W=0.5 mm)。

图2 天线单元俯视图Fig.2 Top view of antenna unit

对于正交馈电的双极化微带贴片天线，垂直极化主要工作于TM01模式，水平极化工作于TM10模式，除此之外，还会激励起高次模。对于要求较高交叉极化的天线，在单元设计时，必须对高次模进行抑制，组阵情形需要进行相应的抑制交叉极化手段，以便获得好的交叉极化性能。

天线单元水平极化和垂直极化的反射系数仿真结果如图3所示。仿真结果表明，2个端口在C波段3.4～4.2 GHz频率范围内驻波小于2，相对带宽达21%。

图3 天线单元V/H端口驻波Fig.3 Antenna unit V/H port standing wave

天线2种极化端口隔离优于43 dB，如图4所示。

3 天线阵列设计

方形微带贴片作为天线辐射贴片要产生高次模，双极化微带天线阵在组阵时，若是各单元采用相同激励，由于高次模的存在，2种极化端口之间会有干扰，从而降低了端口之间的极化隔离度， 导致交叉极化电平变差。为了取得较高的极化隔离度，可以对作为阵列天线基本单元的二元阵单元采用等幅反相馈电[8]。不同馈电位置的二元阵如图5所示。

图5 二元阵两端口馈电Fig.5 Two-port feed of binary array

图5中每个矩形微带贴片包含2个激励点，“H”代表激励为水平极化的端口，“V”代表激励为垂直极化的端口，符号“+”表示微带天线单元对应的端口等幅同相馈电， 符号“-” 表示微带天线单元对应的端口等幅反相馈电。

基于交叉极化抑制方法，对上述天线单元进行二元阵设计，如图6所示。

图6 二元阵天线仿真模型Fig.6 Simulation model of binary array antenna

由于二元阵是设计线阵或面阵的基础单元，为保证天线方向图不出现栅瓣，单元间距选取上应不大于一个最小工作波长。

为了抑制交叉极化，二元阵采用旋转镜像的方式，对单元采用等幅反相馈电。二元阵采用如图7所示的T型功分器合成，对于T型功分器，总口的阻抗为Z0，则2个分口连接处的阻抗为2×Z0，通过一段1/4波长阻抗为1.414×Z0的阻抗变换器，将阻抗为2×Z0的微带线变换为阻抗为Z0，等功分器的各个端口阻抗均为Z0，方便与天线单元直接进行连接。相邻单元镜像排布、反相馈电，合成2个微带天线的微带功分器引入180°相位差。

图7 功分器模型Fig.7 Power divider model

综上所述，运用三维电磁仿真软件对二元阵进行了电磁仿真和优化设计。图8和图9给出了二元阵水平极化和垂直极化在中心工作频率的方向图。图8(a)为二元阵水平极化E面方向图，图8 (b)为二元阵水平极化H面方向图；图9(a)为二元阵垂直极化E面方向图，图9(b)为二元阵垂直极化H面方向图。仿真结果表明，设计的二元阵在中心工作频率，其水平极化E面方向图的交叉极化隔离度在±60°范围内≥52 dB，水平极化H面方向图的交叉极化隔离度在±60°范围内≥35 dB；其垂直极化E面方向图的交叉极化隔离度在±60°范围内≥46 dB，垂直极化H面方向图的交叉极化隔离度在±60°范围内≥36 dB。即该二元阵的水平极化和垂直极化的交叉极化隔离度在±60°范围内具有良好的交叉极化特性。

图8 二元阵水平极化方向图Fig.8 Horizontal polarization pattern of binary array

图9 二元阵垂直极化方向图Fig.9 Vertical polarization pattern of binary array

二元阵驻波如图10所示。

图10 二元阵驻波Fig.10 Standing wave of binary array

4 结束语

运用口径耦合基本理论，结合H型耦合缝隙馈电，同时对馈线采用T型结构设计的理念，结合多层微带板展宽天线带宽的技术手段，设计了一款C波段微带天线单元，并将该微带天线单元进行二元阵设计。

本文设计的一种双极化微带贴片天线，为展宽带宽，天线采用双层矩形微带贴片形式，在地板上开一对相互垂直的H型耦合缝隙作为口径耦合馈电，馈电微带线采用T字型耦合结构，对双极化辐射单元和二元阵进行了仿真分析。仿真结果表明，该天线工作于3.4～4.2 GHz，在很宽的波束宽度内具有良好的端口隔离度和高交叉极化抑制度。本文设计的天线对于同类型的天线设计具有一定的参考价值。