一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计

2017-06-05金荣洪耿军平梁仙灵李建平

中国电子科学研究院学报 2017年2期

关键词：轴比圆极化馈电

王堃，金荣洪，耿军平，梁仙灵，李建平

(上海交通大学电子工程系，上海 200240)

工程与应用

一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计

王堃1，金荣洪1，耿军平1，梁仙灵1，李建平2

(上海交通大学电子工程系，上海 200240)

设计了一种紧凑馈电网络的宽带毫米波圆极化微带阵列天线，采用缝隙耦合馈电的宽带圆极化微带天线单元和紧凑的S形曲线并联等相差圆极化馈电网络构建了2×2的宽带圆极化微带阵列天线，分析了各个参数对天线特性的影响，获得了较好的宽带圆极化特性。并以该2×2天线阵列为基本子阵，通过并联馈电网络扩展到4×4的宽带圆极化微带天线阵列。实测和仿真结果基本一致，实现了良好的宽带圆极化特性。

毫米波；宽带；紧凑高效馈电网络；圆极化；微带阵列天线

0 引言

近年来，随着毫米波技术的迅速发展，其在卫星通信、星载雷达、高精度制导以及下一代5G移动通信等各个领域被广泛应用。Ka波段作为毫米波的重要组成部分，可以提供的带宽更大、通信容量更高、终端尺寸更小以及抗干扰能力强等优点使其成为未来通信发展的重要频段。

毫米波微带阵列天线已有相关文献报道，文献[1]采用双层介质基板，通过缝隙耦合的并馈方式设计了一种工作在Ka波段的十六元微带天线阵列，获得8%的阻抗带宽；文献[2]对工作在毫米波段的切角贴片单元采用了倾斜角度的馈线，同时馈电网络采用串并结合的馈电方式。改善了圆极化带宽和阻抗带宽，分别达到了1.3%和4.7%；文献[3]分别设计了4元和8元U型槽馈电的毫米波天线阵列，馈电网络均采用并馈的方式，有效阻抗带宽分别为3.28%和3.85%；文献[4] 设计了一种采用寄生贴片的交叉槽作为圆极化单元，并通过90度的延迟线馈电。该延迟线有三个分支可以实现相位延迟，振幅补偿以及阻抗匹配的效果，获得较好的轴比宽带特性，实测结果表明16元阵列的轴比带宽为14%；文献[5]设计了一种寄生圆环的L型辐射贴片天线，通过旋转馈电实现圆极化，该天线阵列的有效阻抗带宽达到24%。上述文献设计的毫米波天线多采用缝隙耦合，通过并馈网络实现了较好的辐射性能，并获得较宽的阻抗带宽，为毫米波段微带阵列天线的设计提供了很好的设计思路和方法。

由于毫米波天线电尺寸很小，天线阵列的馈电网络可用空间范围很有限，增加了设计难度且易出现耦合现象，不易扩展为大型阵列。同时受到毫米波段的加工工艺精度的限制，也是影响毫米波天线电性能的原因之一。针对毫米波段微带阵列天线设计中存在带宽窄，强耦合，扩展性不佳等诸多问题，本文设计了工作在Ka波段的宽带圆极化微带阵列天线，采用宽带圆极化天线单元与一种结构紧凑的圆极化馈电网络结合来实现2×2宽带圆极化天线子阵，以该子阵为基础，通过并联网络扩展到4×4宽带圆极化天线阵列。该天线阵列结构简单、紧凑的馈电网络降低了毫米波天线阵列的设计难度，有较好的扩展性。对实现宽带性能，改善圆极化纯度有很大的优势。

1 天线单元

借鉴文献[1]天线单元的设计思路，此处采用缝隙耦合馈电的切角贴片实现方法来设计圆极化天线单元，结构如图1所示，采用两层介质板的复合结构。通过参数扫描与优化，得到Ka波段的天线单元最佳参数如表1，仿真结果如图2所示。

图1 天线单元结构

aba1b1L16.86.82.482.251.14w1L2w2k1k20.31.820.690.610.61

图2 天线单元仿真结果

2 宽带波束形成器的设计

2.1 2×2天线阵列设计

2.1.1 2×2天线阵列布局

为了进一步提高天线增益，拓展带宽，改善圆极化特性，将上节设计的圆极化天线单元顺序旋转构建2×2圆极化阵列，如图3(a)所示。相应地四元阵列的圆极化馈电网络也要保证各天线单元端口馈电相位差90o，如图3(b)所示。

图3 2×2天线阵列

由于采用顺序旋转90°的阵列布局，天线阵列的馈电网络可用空间极其有限，设计紧凑高效的圆极化馈电网络是提高天线辐射效率的关键因素。

2.1.2 紧凑、高效圆极化馈电网络设计

如图3(b)所示，2×2天线阵列的馈电网络通过四条臂相差90°来改善圆极化纯度。同时，充分利用四个单元所围的空白区域设计馈电网络，来满足小型化和结构紧凑的设计要求。

由于各端口间最小相差90°(对应电长度差四分之一波长)，最大相差270°，对应电长度差二分之一波长，所以采用S形曲线结构实现并联馈电，并保证相邻天线单元的90°相差，四条臂端口Point 1～Point 4的相位差通过微带线路径来补偿，如图4～5所示。

图4 2×2阵列馈电网络

图5 2×2阵列各端口相位差

另一方面，如图4所示，S形曲线导致馈电网络中微带线的最小空间距离大约0.15倍波长，极易引起微带线间耦合。但是，在馈电网络中，如AB段与BC段，在宏观上形成了半波长的U型结构，根据文献[6]分析，这种U型微带线结构可以很好的抑制耦合，甚至是十分之一波长的间距也可以实现较好的去耦合效果。此外，在图4的馈电网络中，在A点，由于T型头采用了直角转弯结构，避免了与CD段的平行，也有抑制耦合的效果。

进一步的，通过与传统的并馈网络组阵的天线阵列进行对比实验，来验证本文设计的圆极化馈电网络的高效和低耦合特性，图4中四个端口Point 1、Point 2、Point 3和Point 4所表示的端口相位差如图5所示。通过图5表明本文设计的圆极化馈电网络具有良好的相位一致性。下面通过分别对比图3和图6的两种不同馈电网络的特殊点的电场以及能量分布，来说明本文设计的圆极化馈电网络的高效和低耦合的特性。图4中点E、点F和图6中的Point A、Point B工作在35GHz时的功率流密度和电场分布的对比结果如图7所示。

图6 2×2圆极化传统并馈网络阵列

如图7(a)和(b)所示，F点的功率流密度大于B点的功率流密度，说明能量在EF段微带线的传输效率高于AB段。另外，从图7(c)和(d)可以看出，S型曲线馈电网络沿线电场分布清晰，线间耦合重叠部分很小；但传统并联馈电网络的总输入端口和点A部分耦合明显，影响传输效率和相差。

图7 两种不同馈电网络分别在介质基板的功率流密度和电场分布

此外，本文设计的2×2圆极化天线阵列在35 GHz 仿真得到阵列的法线方向的轴比为0.22 dB，如图8所示。说明电磁信号到达四个天线单元端口时幅值和90°相移的精度很高。如图8所示，仿真得到的阵列增益13.48 dBi和天线单元的增益对比可知，阵列口面比天线单元口面增加到4倍完全对应。这也说明，S形曲线的并联等相差馈电网络有很好的辐射效率。两种不同馈电网络的2×2圆极化天线阵列的回波损耗以及轴比的仿真结果如图8和表2所示。

图8 两种不同馈电网络的2×2圆极化天线阵列的回波损耗以及轴比仿真结果

S型网络并馈网络S11<-10dB33.48%11.94%AR<3dB14.3%3%Gain/dB13.4913.51

该2×2圆极化天线阵列的尺寸为 13.6 mm×13.6 mm，如图3所示。天线单元等幅馈电，各阵元的相位差依次是0°、90°、180°、270°，可以很好的改善圆极化特性。阵元间距约是0.8λ，采用0.8λ既可以保证天线阵列实现高增益又可以避免天线组阵时出现栅瓣现象。

本文设计的圆极化S形曲线并联馈电网络的结构简单、紧凑、高效，与传统的并联型馈电网络线路和同类型的毫米波圆极化微带阵列天线相比，该圆极化馈电网络结构更加简单紧凑，馈线路径较短，辐射单元和馈线之间的耦合效应较小，能量分布均衡，可以显著的降低馈线的损耗，提高天线阵列的增益和辐射效率。与其他同类型的微带缝隙耦合天线，微带阵列天线等相比较，本文设计的2×2微带天线阵列在显著提高增益和改善轴比带宽的同时，具有设计简单，结构紧凑，便于小型化和加工制作等优点，适合作为大型天线阵列的子阵。

2.2 4×4天线阵列设计

2.2.1 4×4天线阵列布局

以上节设计的2×2圆极化天线阵列为基本子阵，采用并行同相的馈电网络进行扩展，设计了4×4圆极化天线阵列，如图9所示。

图9 4×4天线阵列

2.2.2 4×4圆极化天线阵列馈电网络设计

为了便于阵列扩展形成大的阵列，采用并联馈电技术将2×2圆极化天线扩展为4×4圆极化天线阵列，一方面该技术可以较好地保证天线阵列实现高增益高辐射效率，同时在天线阵列有限的空间内采用并联馈电技术可以大幅度减少馈电网络的带线路径，缩小天线阵列的面积，使得大型天线阵列的馈电网络更加简洁。另一方面该技术巧妙的利用了U形线结构，如图9(b)中的ABCDE部分构成的U型结构，有效的抑制了带线之间的耦合效应。此外，4×4天线阵列采用并联馈电技术还可以更好的保证各子阵端口的等幅同相特性，达到高效辐射的目的。

如图10所示，4×4天线阵列的回波损耗和轴比仿真结果。有效阻抗带宽达到33.2%；轴比AR<3 dB的圆极化带宽是17.5%。

2×2圆极化天线阵列和4×4圆极化天线阵列的增益仿真如图10(b)所示，最大增益分别达到13.26 dB和18.8 dB。

图10 4×4天线阵列仿真

3 实验结果与分析

天线2×2、4×4阵列加工实物样机如图11所示。并进行了天线电性能测试实验。天线端口反射系数通过安捷伦矢量分析仪E8361C进行实测。实测结果如图12所示。2×2天线阵列阻抗带宽达到32%，端口反射系数在27.9～39.1 GHz内小于-10 dB。4×4天线阵列阻抗带宽达到39.7%，端口反射系数在25.7～39.6 GHz内小于-10 dB。同时对阵列天线在工作带内不同的频率点的方向图和轴比进行外场测试实验。由实测结果可见，2×2和4×4天线阵列的实测结果良好与仿真结果基本吻合。

图11 天线实物照片

图12 实测结果

4 结语

本文采用缝隙耦合馈电，设计了一种毫米波切角圆极化微带天线单元。同时，设计了一种新型高效紧凑的馈电网络，最后使用该馈电网络在天线单元的基础上分别设计了2×2和4×4天线阵列。实测结果表明，2×2和4×4天线阵列的阻抗带宽分别达到32%和39.7%。天线阵列的旁瓣电平和交叉极化电平较低，工作频带内2×2天线阵列最大增益达到13.8 dB，4×4天线阵列最大增益达到17.8 dB。由于测试环境是外场，损耗大，干扰不可避免直接影响天线的电性能，复杂的外场环境对天线测试结果带来较大影响。

通过仿真和实测结果对比基本吻合，此天线具有较好的带宽、高增益、圆极化特性好、结构紧凑，剖面低的特点，很适合组大型天线阵列，在通信领域有很好的应用前景。

[1] G. L. Dai, S. L. Lu and M. Y. Xia, “A Microstrip Patch Array with Aperture-Coupled Feeding for Ka-Band Applications,” Millimeter Waves, 2008. GSMM 2008. Global Symposium on, Nanjing, 2008, pp. 1-3.

[2] H. Zhou and F. Aryanfar, “A Ka-Band patch antenna array with improved circular polarization,” 2013 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), Orlando, FL, 2013, pp. 1586-1587.

[3] K. Thenmozhi, K. Jagadeeshvelan, M. GaneshMadhan, S. Piramasubramanian and J. Roopchand, “Simulation of microstrip array antenna for Ka-Band applications,” Electronics and Communication Systems (ICECS), 2014 International Conference on, Coimbatore, 2014, pp. 1-5.

[4] J. Wu, Y. J. Cheng and Y. Fan, “Millimeter-Wave Wideband High-Efficiency Circularly Polarized Planar Array Antenna,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 2, pp. 535-542, Feb. 2016.

[5] Nasimuddin, Xianming Qing and Zhi Ning Chen, “A wideband circularly polarized microstrip array antenna at Ka-band,” 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, 2016, pp. 1-4.

[6] 陈念,耿军平,叶声等.紧耦合天线的反相耦合相消隔离技术[J].中国电子科学研究院学报,2011,06(5):537-540.

耿军平 (1972—)，男，陕西人，副教授，主要研究领域为电磁场理论、电磁计算方法，信号处理；

梁仙灵 (1978—)，男，浙江人，副教授，主要研究领域为现代天线理论与技术、有源相控阵列、DBF阵列；

李建平 (1991—)，男，湖北人，博士研究生，主要研究领域为人工电磁超材料的理论及实现、基于超材料的天线及射频器件、表面等离子体激元。

Design of a Broadband Millimeter-Wave Circularly Polarized Microstrip Array Antenna

WANG Kun1，JIN Rong-hong1，Geng Jun-ping1，LIANG Xian-ling1，LI Jian-ping2

(Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Design of an extensible millimeter wave broadband circularly polarized microstrip antenna fed by aperture coupling was proposed. A 2×2 element compact and efficient feed network microstrip antenna array was designed. The influence of key parameters on antenna was analyzed, and obtain a broadband and good circular polarization. Based on the 2×2 element antenna array, the broadband circularly polarized microstrip antenna array is extended to 4×4 element antenna array by parallel feed network. The measured and simulated results are basically consistent.

millimeter wave;broadband;compact and efficient feed network;circularly polarized; microstrip antenna array

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.015

2017-01-05

2017-03-31

国家自然科学基金(61571289，61571298，61471240)

TN820

1673-5692(2017)02-181-06