Ku波段双频正交极化微带阵列天线

李文晶，梁仙灵，金荣洪，耿军平，叶 声

(上海交通大学电子工程系，上海 200240)

0 引言

近年来，随着自然灾害的不断增多，尤其我国经历汶川地震后，卫星通信技术在抗震救灾中体现出极大的优越性。因此，当前民用领域和军事领域对卫星通信终端都极具广泛的需求。现有卫星通信的地面终端天线主要采用抛物面天线形式，该类天线具有高效率特性，但其体积大、重量沉，无法满足一些新的应用需求，比如便携式卫星通信终端设备等。相比抛物面天线，微带平面阵列天线具有低剖面、轻重量、易于共形等优点，很适应于低剖面的卫星通信系统。有关双极化微带阵列天线的设计已有相关文献报道，如文献［1］采用角馈的方式设计了一种X波段双极化16元微带天线直线阵，两种极化分别采用共面馈电及口径耦合馈电，获得端口隔离度优于33 dB;文献［2］设计了一种X波段双极化8元微带天线直线阵，两极化采用正交“H”形缝隙耦合馈电，获得隔离度高于30 dB;文献［3］针对卫星通信应用，设计了一种Ku频段96元微带天线阵列，获得端口隔离度高于40 dB。上述这些天线都是针对两种极化在相同频率下的研究，目前针对便携式卫星终端小型化的需求，希望微带阵列天线的两种极化工作在不同频段(即地面发射频段:14.00～14.50 GHz，地面接收频段:12.25 ～ 12.75 GHz)。对此文献［4］设计了一种双频正交极化微带天线单元，并给出16元子阵的初步研究结果。

在上述初步研究的基础上，对天线单元的参数、馈电网络及垂直过渡作了进一步优化设计，最终设计的256元双频正交极化微带阵列天线获得了良好的测试结果。两极化端口实测相对阻抗带宽(S11≤－10 dB)分别达到21.04%和27.86%，端口隔离度高于40 dB，带宽内天线增益为28～30.1 dBi。

1 单元设计

天线单元结构如图1所示，由三层介质板构成。第一层介质板为寄生贴片层，寄生贴片采用矩形结构，尺寸为W1×L1，位于第一层介质板的下表面。第二层介质板为激励贴片层，激励贴片同样为矩形结构，尺寸为W2×L2，激励贴片和共面馈电微带线共置于第二层介质板的上表面;寄生贴片与激励贴片的间距为hp。第三层介质板为背向馈电网络层，背向馈电微带线置于第三层介质板的下表面，通过探针与激励贴片相连接。共面馈电微带线和背向馈电微带线共用一块金属地板，该地板置于第二层介质板和第三层介质板之间。共面馈电微带线和背向馈电微带线分别实现水平极化和垂直极化激励，且置于不同的介质层上，并通过金属地板隔开，有利于增大阵列网络的布局空间，提高不同极化网络之间的隔离。三层介质板采用相同的介电常数(εr=2.55)和厚度(h=0.762 mm)，优化后的天线单元参数为:W1=6.1 mm，L1=7.2 mm，W2=6.1 mm，L2=6.9 mm，hp=1.8 mm。天线单元仿真结果如图2所示，垂直极化端口阻抗带宽(S11≤ －10 dB)为11.0～14.1 GHz(文献［4］中为10.8 ～13.6 GHz)，水平极化端口阻抗带宽为12.6 ～15.8 GHz(文献［4］为13.0 ～15.8 GHz)，两端口隔离度在工作频段内均大于19 dB。

2 阵列设计

基于上述单元结构，通过馈电网络合成大阵列。天线的交叉极化电平，端口隔离度及馈电网络的损耗是阵列天线设计的关键。首先，在2×2子阵中采用反相馈电技术［5］来提高阵列天线的极化隔离，降低主瓣内的交叉极化电平。如图3(a)、(b)所示，在垂直极化馈电网络中，左右单元采用等幅同相馈电，上下单元采用等幅反相馈电;在水平极化馈电网络中，上下单元采用等幅同相馈电，左右单元采用等幅反相馈电。其次，馈电网络微带线采用正交弯曲线［6］，以减少贴片与微带线，微带线与微带线之间的耦合，从而提高馈电网络的传输效率;同时对单元间距进行优化，以实现阵列口面电流的均匀性，来提高整体天线的辐射效率。由于本阵列天线工作于两个频段，低频段为12.25～12.75 GHz(卫星通信地面接收频段)，高频段为14～14.5 GHz(卫星通信地面发射频段)。综合考虑两个频段的整体辐射效率，最终选取单元垂直间距为0.75λl0(λl0为12.5 GHz时的自由空间波长)，水平间距为 0.8λh0(λh0为 14.25 GHz时的自由空间波长)。最后，以2×2子阵为基本单元，兼顾考虑馈电网络的工作带宽和馈线损耗，采用串/并馈相结合技术组成4×4阵列，并最终延伸到256元阵列天线。天线的输出端口采用垂直过渡的形式，由微带线转换到标准的SMA接头，如图3所示。

图3 256元阵列

3 实验结果与分析

为了验证上述设计的256元阵列天线，实际加工并制作了样机，如图4所示。天线的端口反射系数利用安捷伦矢量网络分析仪E8361C进行了测试，实测结果如图5所示。垂直极化端口测试反射系数在10.7 ～13.33 GHz内小于 －10 dB，相对阻抗带宽达21.04%;水平极化端口反射系数在12.4～16.37 GHz内小于－10 dB，相对阻抗带宽达27.86%。可见，天线的收/发阻抗带宽可完全覆盖卫星通信地面收/发频段(12.25 ～12.75 GHz/14 ～14.5 GHz)，并具有一定的冗余量。为减少系统带外信号干扰，一般需要在系统的收发通道中(即LNA之后或BUC之前)加带通滤波器。同时，该阵列天线的两极化端口的隔离度在工作频带范围内均大于40 dB。

对阵列天线在工作带宽内不同频点的方向图进行了测试。该实物阵列在低频段中心频率点(12.5 GHz)和高频段中心频率点(14.25 GHz)的远场测试方向图如图6所示。可以看出，在12.5 GHz时，阵列天线E面主瓣内的交叉极化电平低于－22 dB，旁瓣电平低于－12.8 dB;H面主瓣内的交叉极化电平低于 －40.3 dB，旁瓣电平低于 －11.5 dB。14.25 GHz时，阵列天线 E面主瓣内的交叉极化电平低于－29.5 dB，旁瓣电平低于－12.2 dB，H 面主瓣内的交叉极化电平低于－24 dB，旁瓣电平低于－11.2 dB。

阵列天线的实测增益随频率变化曲线如图7所示。在12.25～12.75 GHz内，阵列的实测增益在28 ～29.2 dBi，天线效率约为42%;在14 ～14.5 GHz内，增益在 29.5 ～30.1 dBi，天线效率约为 46%。

4 结语

针对便携式卫星通信终端的需求，设计了宽带双频正交极化微带阵列天线。实测结果表明，该阵列天线的垂直极化在10.7～13.33 GHz频率范围内小于－10 dB，相对阻抗带宽达21.04%，覆盖卫星通信接收频段:12.25～12.75 GHz;水平极化在12.4 ～16.37 GHz频率范围内小于 －10 dB，相对阻抗带宽达27.86%，覆盖卫星通信发射频段:14～14.5 GHz;两极化端口隔离度在11～14.7 GHz内均高于40 dB;天线实测增益为28～30.1 dBi。此天线具有剖面低、体积小、重量轻、增益高的特点，很适合应用于卫星通信领域。

［1］梁仙灵，钟顺时，汪伟.高隔离度双极化微带天线直线阵的设计［J］.电子学报，2005，33(3):553-555.

［2］梁仙灵，钟顺时，汪伟.高隔离度的双极化口径耦合微带单元与阵列天线［J］.上海大学学报，2007，13(1):10-13.

［3］陈振宁，梁仙灵，叶声.一种新型Ku波段宽带高增益双极化微带阵列天线［J］.电波科学学报，2011，26(4):661-665.

［4］徐烨，梁仙灵，王文智.一种高隔离度Ku波段双频双极化微带天线阵［J］.中国电子科学研究院学报，2011，6(2):212-216.

［5］梁仙灵，钟顺时，王伟.双极化微带线阵的交叉极化抑制［J］.微波学报，2005，21(1):22-25.

［6］杨光，金荣洪，耿军平.微带天线阵列的一种新颖馈电网络［J］.中国电子科学研究院学报，2009，4(2):202-204.