新型强耦合宽带双圆极化阵列天线

张福恒 杨国敏 金亚秋

(复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室,上海 200433)



新型强耦合宽带双圆极化阵列天线

张福恒 杨国敏 金亚秋

(复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室,上海 200433)

空间飞行器由于受到动力和负载的限制,需要尽可能使搭载的天线轻质小型化.文中提出了一种新型强耦合双圆极化轻质天线.天线单元采用H型缝隙耦合和增加寄生贴片方法,提高了天线带宽. 同时,通过在辐射贴片、寄生贴片上开圆形槽,以及金属反射板栅格化的处理,明显地减轻了天线的质量.采用这种新型天线单元,设计了8单元的宽带双圆极化阵列天线.仿真结果表明:该阵列天线的中心频率为433 MHz,左旋和右旋圆极化的相对轴比(Axial Ratio,AR)带宽(AR<3 dB)分别达到了24.4%和23.2%,有效实现了小型轻质化宽频带双圆极化阵列天线.

宽带阵列天线;双圆极化;强耦合;柔性可展开天线

引 言

随着对空间通信质量的不断提高,空间天线技术已成为新型空间通信系统的关键技术之一.采用圆极化天线的优势主要表现在:1) 圆极化天线可以接收任意极化的来波,且辐射波也可以被任意极化天线接收;2) 圆极化天线具有旋向正交性;3) 极化电磁波入射到对称目标时旋转逆向,不同旋向的电磁波具有很好的极化隔离.因此圆极化天线得到了越来越多的应用[1].然而传统的圆极化微带天线在阻抗带宽、轴比带宽、极化纯度、天线重量方面都有局限性.文献[2-3]都是采用单馈法实现圆极化,前者将方形微带天线切角,后者在圆形贴片上开十字型槽,但两种方法的阻抗带宽和轴比带宽都非常窄.文献[4-5]分别采用四层介质耦合馈电结构,设计了工作频段为2～4 GHz的单馈及多馈圆极化微带天线单元及阵列,阻抗带宽和轴比得到显著提高,但这种结构整体质量过重且无法实现双圆极化.文献[6]利用3 dB电桥给普通的缝隙耦合馈电,相对阻抗带宽达到32.3%,但没有考虑到减小背向辐射的问题.文献[7]采用了双层贴片加“H”型缝隙的方法提高带宽,实现双极化,然而介质厚度1.6 mm,组成阵列后质量过重仍无法满足卫星通信需求.文献[8]利用Wilkinson功分移相器和探针给贴片馈电,测试的圆极化带宽达到23.8%,这种结构无法满足可折叠的需求.文献[9]利用Wilkinson功分器给“H”型缝隙耦合馈电的结构设计了宽带圆极化天线,但该设计仅能实现单一圆极化方式,且没有减小天线的背向辐射.

针对上述问题,本文利用柔性薄膜材料设计了一种新型强耦合宽带双圆极化天线,并利用仿真软件HFSS对天线单元进行了仿真分析,经过优化得到了理想的天线几何尺寸,在此基础上设计了8单元的阵列天线.与传统的圆极化阵列天线相比这种结构的圆极化微带阵列天线具有宽带、轻质、高隔离度、柔性可展开、圆极化性能好等优点,可以满足现代通信、相控阵雷达、星载SAR系统等需求.

1 天线单元的设计

1.1 天线参数计算

天线单元的结构如图1所示,从上到下依次为寄生贴片层、辐射贴片层、地层、馈线层和反射层.寄生贴片通过与辐射贴片耦合获得激励,两层贴片谐振频率相近,拓宽了天线带宽.贴片层上开了圆形孔增强了辐射贴片与寄生贴片间的耦合.各相邻层间均为空气介质,减小了天线的相对介电常数,降低了微带天线谐振空腔的Q值,进一步扩展带宽.将天线单元和3 dB电桥级联可组成天线阵列,3 dB电桥的不同端口馈电可分别实现左旋/右旋圆极化.

寄生贴片层、辐射贴片层的介质采用聚酰亚胺薄膜,介电常数3.4,损耗正切0.025,介质厚度0.1 mm.设计天线的中心频率0.433 GHz,由经验公式确定辐射贴片的初始尺寸[10]:

(1)

式中:εr为介质介电常数,寄生贴片尺寸略小于辐射贴片.馈线层的介质采用蜂窝状纸质板,介电常数1.45,介质厚度2.2 mm.馈线层上表面为刻蚀两个相互垂直的“H”型缝隙地板,缝隙的长度和约为谐振频率的半波长.

(a) 单元俯视图

(b) 单元立体图图1 天线单元结构图

1.2 天线参数分析

在天线设计过程中,如果知道了天线尺寸参数的变化对天线性能的影响规律,就可以快速有效地完成天线的设计.对La、Hstub、R参数进行仿真研究.初始值取La=220 mm,Hstub=45 mm,R=30 mm.保持其他参数和指标要求不变,改变某个参数,计算输入阻抗相对其变化曲线,匹配的目标是满足输入电阻在所需频带内尽量平坦并接近50 Ω,输入电抗在最大范围内接近于零.

图2是输入阻抗随寄生贴片边长的变化曲线.由图所示曲线可知,La长度的变化对整个频段内的输入阻抗有显著的影响.随着La从210 mm逐渐增大到230 mm,第一个谐振频点的输入电阻减小但谐振频率没有变化,第二个谐振频点的输入电阻增加且谐振频率向低频偏移,阻抗实部整体更加平坦.随着La的增加,第一谐振频点的输入电抗值略有减小,第二谐振点的电抗值向低频偏移,电抗值整体的起伏减小.

近年来各行业都不同程度地受到大数据的影响，其中大数据会计行业的财务工作影响颇深，使其迎来巨大的变革。财务工作的数字化为会计人员带来便利的同时又给企业带来了确保企业信息、资产安全等困扰，不同程度上增加了会计职业风险。

(a) 实部

(b) 虚部图2 输入阻抗随La的变化曲线

图3是H端口的输入阻抗随该端口馈线枝节长度Hstub的变化曲线.由图可见Hstub的长度变化对第一谐振点的输入电阻有显著的影响Hstub值越大,第一谐振点电阻值越大.同时输入电抗整体随Hstub的增大而减小.

图4是输入阻抗随贴片上的圆孔半径R的变化曲线.由图可知在R从20 mm增加到30 mm的过程中,第一谐振点的输入阻抗略有降低,第二谐振点的输入阻抗大小基本没有变化,但谐振频率向低频偏移.

(a) 实部

(b) 虚部图3 输入阻抗随Hstub的变化曲线

(a) 实部

(b) 虚部图4 输入阻抗随R的变化曲线

1.3 天线原理分析

对于这种缝隙耦合天线应用传输线模型理论[11]分析,缝隙天线简化结构如图5(a)所示,等效电路模型如图5(b)所示.地层上的缝隙只截获贴片上电流一部分,N1为部分电流和总电流之比,ΔV为微带线上有缝隙引入的模电压变化量,V0为缝隙电压.

(a) 天线简化结构

(b) 等效电路模型图5 缝隙天线简化结构及等效电路

缝隙引入的电纳为:

(2)

计入馈线枝节,得到总的输入电抗:

(3)

综合上述参量扫描结果和理论分析,可以得到如下结论:贴片的尺寸对谐振频率有显著影响,尺寸越大谐振频率越低,馈线枝节的长度Hstub、Vstub对阻抗匹配影响较大.在两层贴片上挖圆孔会改变贴片表面电流分布,故圆孔半径不宜过大.经过优化后天线单元具体参数为La=220 mm, Hstub=48 mm,R=25 mm.

能量通过两个正交的“H”型缝隙耦合到方形铜贴片,激励起空间幅度相等、相位相差90°的TM01模和TM10模,从而产生圆极化电磁波.两层贴片开圆形槽的处理降低了天线的质量,同时增强了它们之间的耦合.栅格化后的铜薄膜反射板置于天线下方,减小天线的背向辐射,进一步降低天线整体质量.

1.4 仿真结果及分析

仿真优化设计后的天线单元两极化端口的回波损耗如图6所示,由图中可见,天线单元水平端口在390～475 MHz 频率范围内回波损耗小于-10 dB,相对阻抗带宽19.6%.垂直端口在385 ～490 MHz频率范围内S11小于-10 dB,相对阻抗带宽24.2%.

设置两个端口同时有激励信号且相位差恒定为90°,仿真该新型天线单元的圆极化轴比带宽,仿真结果如图7所示.由图可知该天线单元在理想的激励条件下,左旋/右旋圆极化相对轴比带宽都超过40%(AR<3),圆极化性能良好.

图7 天线单元轴比带宽

在中心433 MHz频率处,天线左旋圆极化和右旋圆极化的辐射方向图如图8所示,两种极化的方向图形状相似,天线单元增益约为9 dB,前后比为22dB.由此可见,该新型强耦合宽带天线单元具有高隔离度、高增益、宽频带、低重量等诸多优良性能.

(a) 左旋圆极化

(b) 右旋圆极化图8 天线单元辐射方向图

2 天线阵列设计

在利用上述的天线单元设计了8单元的天线阵列,结构如图9所示.信号经3 dB电桥等分成两路,并产生90°相位差,幅度相等的两路信号再经过一对一分为八的T型功分器等幅激励8个辐射贴片单元.阵列天线整体尺寸2.4 m×3.6 m×0.16 m.

图10和图11给出了该新型强耦合宽带圆极化阵列天线的仿真结果,可以看到该新型阵列天线,左旋圆极化和右旋圆极化的相对轴比带宽分别达到了24.4%和23.2%(AR<3 dB).由图可知,在整个阻抗带宽范围内,天线增益均大于15 dB,在510 MHz频率时最大增益为17 dB,增益随频率变化平稳.

图9 阵列天线结构

图10 阵列天线的轴比带宽

图11 阵列天线的增益

3 结 论

本文应用口径耦合理论和多层贴片结构设计了一种P波段的新型强耦合宽带双圆极化天线单元,并利用该单元设计了8单元的线阵.由于采用了“H”型缝隙耦合和附加寄生贴片结构形式大大增加了阻抗带宽和轴比带宽,并结合3 dB电桥实现了双圆极化.仿真结果表明,左旋圆极化和右旋圆极化的相对轴比带宽分别达到了24.4%和23.2%(AR<3 dB).天线各层均采用柔性薄膜材料,相邻层间为空气介质,同时寄生贴片、辐射贴片经过开圆形槽处理,不仅增强了辐射贴片层和寄生贴片层间的耦合,而且大大减轻了阵列天线的整体质量.金属反射板经过栅格化处理同样起到了降低天线质量的效果.天线阵列具有宽带、双圆极化、整体柔性、可收拢展开 、重量轻等特点.

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张福恒 (1990-),男,安徽人,复旦大学电磁场与微波技术专业博士研究生, 主要研究方向为人工磁导体、可重构天线和微带阵列天线.

杨国敏 (1979-),男,浙江人，复旦大学通信系副教授,博士,主要研究方向为天线理论与技术、阵列天线设计、微波器件的小型化设计和超宽带微波器件设计等.

金亚秋 (1946-),男,上海人，美国MIT博士、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、IEEE会士、复旦大学特聘教授、电磁波信息科学教育部重点实验室主任、国家973项目首席科学家,研究方向为电磁波散射与传输、空间遥感信息理论、计算电磁学等.

A novel broadband dual circular polarization antenna array

ZHANG Fuheng YANG Guomin JIN Yaqiu

(Key Laboratory for Information Science of Electromagnetic Waves,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Due to the limited power and loading for the spacecraft, it is necessary for the antenna on the spacecraft to be designed with small size and light weight. A novel broadband dual-polarized antenna is presented in this paper. The bandwidth of designed antenna is increased by using two orthogonal H-shaped slot and adding the parasitic patch. Meanwhile, circular slots are etched both in the radiation patch and the parasitic patch, and the metal reflection rasterizing are introduced to reduce the total weight of the antenna. An eight elements broadband circularly polarized antenna array based on this novel element is designed. The simulation results show that the central frequency is about 433 MHz and the relative bandwidth for the left hand circular polarization and right hand circular polarization are 24.4% and 23.2%, respectively. The designed antenna array has the characteristics of small size, light weight, wide bandwidth and dual polarization.

broadband antenna; dual CP antenna; tight coupling; flexible antenna

10.13443/j.cjors.2015070501

2015-07-05

国家自然科学基金(61571130)

TN82

A

1005-0388(2016)03-0426-06

张福恒, 杨国敏, 金亚秋. 新型强耦合宽带双圆极化阵列天线[J]. 电波科学学报,2016,31(3):426-431.

ZHANG F H, YANG G M, JIN Y Q. A novel broadband dual circular polarization antenna array[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):426-431. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015070501

联系人： 杨国敏E-mail：guominyang@fudan.edu.cn