S波段矢量阵列天线单元的设计

高宇腾，丁 君，彭文灿，郭陈江

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710072）

在无线通信领域，智能天线的应用前景巨大。为提高天线性能，人们采用矢量阵列以充分利用天线的极化特性。极化是电磁波除幅度、频率、相位之外的又一个重要信息，对于信号的检测、滤波、识别等方面有着重要的价值。由于微带天线具有剖面小、重量轻、成本低等特点[1]，使用微带天线来实现矢量阵列的天线单元具有很强的可行性。

矢量阵列要求天线单元具有双极化特性。国内外有不少关于双极化天线的研究，包括采用三维天线结构[2-3]，多层结构[4]，微带缝隙结构[5-6]等，大多结构比较复杂。本文采用微带天线结构，设计了一个工作在S波段的双极化天线单元，适当增大贴片馈电点与中心点距离可降低交叉极化电平，但会影响输入阻抗匹配。利用Ansoft公司的HFSS软件进行仿真和优化，根据仿真结果制作了实物。仿真和实测结果吻合较好，可以满足需要。

1 理论原理与天线设计

对于基片介电常数为εr，工作频率为f的微带天线的尺寸，其贴片宽度w可由下式大致得出[7]：

式中c是光速。

为实现天线的双极化，采用方形贴片、双馈电点结构，即贴片的长度与宽度均为w。图1即为天线的结构。图中，l为馈电点距离贴片中心点距离。L为方形基板宽度，方形贴片宽度为w。基板介质层厚度为h。

图1 天线的结构示意图Fig.1 Structure of the antenna

当使用同轴馈电时，馈电点在辐射贴片的边缘处输入阻抗最高，而在贴片的中心点出输入阻抗为零。此外，当馈电点偏离中心线位置时，会激发TM1n模式，从而增大天线的交叉极化辐射。因此两个馈电点分别取在贴片的两条中心线上。当输入阻抗为50Ω时，馈电点距离贴片中心点的距离l可由下式近似计算：

式中：

本文设计的双极化微带天线中心频率为2.5 GHz，微带板选用双面敷铜的RF4环氧树脂板，介电常数εr为4.4。

在HFSS中可对天线的尺寸进行优化。经多次优化仿真可知：调节天线的贴片宽度可改变天线谐振点，w增大则谐振频率减小，反之则谐振频率增大。同时，调节馈电点距离贴片中心点的距离l可使天线输入阻抗匹配，从而改善天线驻波比。调节w与调节l会彼此影响。

改变天线的馈电点位置与贴片中心的距离l，除了对天线的输入阻抗匹配产生影响外，还会影响到天线的交叉极化电平，如表1所示，在一定范围内，E面的交叉极化电平，会随天线的馈电点位置与贴片中心的距离l的增大而显著减小，而H面的交叉极化电平随l的增大上下波动，变化幅度不大，始终维持在-30 dB左右。

表1 不同馈电点下天线的交叉极化电平Tab.1 Cross-polarization levels of antennas with different feed points

适当增大馈电点位置与贴片中心点的距离可优化天线在E面内的交叉极化电平，但会影响输入阻抗匹配。经循环调整，协调谐振频率、阻抗匹配与交叉计划电平，取得天线尺寸参数最优值。天线的尺寸如表2所示。

表2 天线尺寸参数Tab.2 Dimension parameter of antenna

2 天线仿真结果

天线的仿真结果如图2~4所示。图2的S参数可知，天线带宽约为2%，端口隔离度在带宽范围内均高于33 dB。因为天线关于结构中心旋转对称，所以仿真结果中的S11参数与S22参数曲线重合。图3和图4分别给出了天线在中心频率2.5 GHz上，天线的一个端口馈电，另一端口接匹配负载时两个主面的方向图。E面内3 dB波瓣宽度约为60°，交叉极化电平-34 dB；H面内的3 dB波瓣宽度约为72°，交叉极化电平-30 dB。

图2 仿真结果的S参数Fig.2 S-parameter of antenna in simulate data

图3 E面上共面极化与交叉极化方向图Fig.3 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on E-plane

图4 H面的共面极化与交叉极化方向图Fig.4 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on H-plane

3 实测结果

按照表1尺寸所加工的天线如图4所示。由图5可见，天线的带宽约为2%，端口隔离度高于32 dB，测试结果与仿真吻合较好。天线在中心频率点两个主面内的方向图如图6和图7所示，此时天线的两个端口中，只有一个端口馈电，与它极化正交的端口接匹配负载。图中可看出，E面内3 dB波瓣宽度为67°，交叉极化电平低于-26 dB，H面内的3 dB波瓣宽度为74°，交叉极化电平低于-23 dB。我们在带宽内的多个频点测试天线的E面、H面的辐射方向图和交叉极化，结果均与图6和图7给出的值很接近，说明天线在带宽内有稳定的辐射特性。

图5 加工后的天线Fig.5 Antenna

图6 天线的S参数Fig.6 S-parameter of antenna in test data

图7 E面上共面极化与交叉极化方向图Fig.7 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on E-plane

4 结 论

文中给出了一个S波段双极化天线单元的设计、仿真和实测结果。采用方形贴片，两个馈电点分别取在天线的两条中心线上以实现双极化；通过适当增大馈电点与贴片中心点之间的位置，可降低天线的交叉极化电平。试验测得该天线在两个主面的交叉极化电平分别为－26 dB和－23 dB，两个极化正交的端口之间的隔离度大于32 dB，满足进一步组成矢量阵列的要求。天线的缺点是带宽比较窄，需要进一步改善。

图8 H面上的共面极化域交叉极化方向图Fig.8 Co-polarization and cross-polarization radiation pattern on H-plane

[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

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[5]LI Yue，ZHANG Zhi-jun，FENG Zheng-he，et al.A Compact Dual-polarization Loop Antenna for WLAN application[C]//2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting.Washington，USA.IEEE，2011：1219－1222.

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[7]李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.