一种双线双圆极化微带天线阵列的设计

赵东贺，蒋博，牛传峰，孙良

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种双线双圆极化微带天线阵列的设计

赵东贺，蒋博，牛传峰，孙良

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

设计了一种双线双圆极化的多层印制板形式的微带天线阵列，采用缝隙耦合和微带线边馈实现天线的双极化，通过开关及圆极化器实现天线的双线双圆极化输出。通过对影响天线性能的各个参数进行优化设计，并加工了天线阵列，天线实测带宽为约15%，天线增益优于17dB。该天线单元结构简单，剖面低，可以作为大型微带天线阵列的子阵进行通信。

微带天线；多层印制板；双线双圆极化；低剖面

0 引言

卫星通信系统作为无线通信领域的重要组成分支，在人类生活中起着越来越重要的作用。卫星通信系统的发展对天线的要求越来越高，天线研究朝着小型化，宽带化、多极化，轻型化的方向发展[1]。

微带天线以其良好的电气特性以及结构小、重量轻、易集成等优点成为研究的重点[2-4]。常见的双极化微带天线采用共口径正交耦合馈电方式，两种极化的微带馈电网络布置在同一层，由于两极化馈电网络的相互影响，天线的阵列规模受到限制,且由于采用微带线馈电，天线背面需要一定厚度的空气层，无法集成安装其他设备。文献[5]中介绍了一种改进方法，在微带线馈电网络后面1/4 波长处增加一块金属地板，提高了增益，有利于安装，但这种方法大大增加了天线的整体厚度。文献[6]中介绍了一种馈电网络的的改进方法，采用多层微带天线形式，通过带线-同轴-波导的转换形式将两个极化的馈电网络隔离，分别布置于天线的不同印制板层，这样避免不同极化馈电网络之间的相互影响，但这样增加了设备的天线印制板层数，增加了设备的复杂度。

由于不同卫星的信号频率和极化方式不一样，因此对卫星通信天线的极化方式提出了更高的要求，本文在文献[7-8]基础上，使用多层印制板微带天线形式，使用微带线边馈和缝隙耦合馈电两种馈电方式实现双线极化，在两个线极化端口通过极化合成切换网络实现双线双圆极化。优化了天线的馈电方式和馈电网络，在不引入其他措施的情况下，实现天线不同极化馈电网络异层布置，根据天线的使用空间，最终采用48个天线单元的阵列，天线布局采用8×8阵列，方形阵列各去掉四角16个天线单元形成圆形平面阵列。实际加工了天线阵列，给出了测试结果，验证了设计的可行性。

1 天线单元的设计

为了实现天线的双线双圆极化功能, 首先设计一个双线极化的微带贴片天线单元。双极化微带贴片天线单元如图1所示，选择正方形微带贴片作为辐射单元, 这种单元简单、易于制造, 并且具有良好的正交极化辐射特性。为了满足宽带特性, 天线采用了倒置双层微带天线的结构形式[9], 其结构如图1所示。天线由三层结构组成,从上向下分别为: 第一层是单面微波介质板, 金属涂层位于介质板的下表面, 这样布置使介质板可以起到天线罩的作用; 第二层微波介质板为多层板，多层板的金属涂层共有三部分，最上层金属涂层为辐射贴片和共面馈电的微带线，中间层为刻蚀有对称阶梯缝隙的天线耦合馈电层，同时为上层金属涂层的馈电线提供接地板，最下层金属为天线耦合馈电的馈电微带线；第三层为金属反射板，以减少背向辐射, 同时, 天线阵列的对外安装接口也装配反射板上。天线的所有介质材料均采用Arlon AD255介质板。

通过ansoft HFSS软件对微带贴片单元的各参数进行优化, 得到一组最佳的单元尺寸，天线的上层辐射贴片尺寸为72mm×72mm，下层耦合馈电贴片尺寸为54mm×54mm，上层印制板和中间层印制板间距为14mm，中层印制板和下层地板间距为7mm。端口微带线都采用50Ω(W= 2. 6mm)来设计。天线驻波比仿真结果如图2所示，天线的两端口的驻波在工作频带内小于2.0, 采用口径耦合馈电, 其端口驻波带宽要相对宽一些。此外, 该单元的增益在其工作带宽内大于6.8dB。

图1 天线单元示意图 图2 天线单元驻波比仿真结果

2 天线阵列的设计

在天线单元仿真的基础上，采用天线阵列的形式使天线增益满足使用要求。考虑天线的实际安装环境，天线阵列的排布方式如图3所示，最终采用48单元天线阵列，天线阵列布局如图3所示。天线的拼阵间距为0.65λ。

由于天线单元的不规则排布，在天线的馈电网络中会引入一级不等分的一分二功分节点，天线功率分配比1:2，设计了多级阻抗变换不等分功分网络，功分网络示意图如图4所示，由图5仿真结果可以看出在1.625GHz处S21为-1.87dB,S31功为-4.72 dB,功分网络公分比满足设计要求。

图3 天线阵列示意图 图4 不等分功分网络示意图

对设计的天线阵列进行仿真计算，得到了天线的方向图和驻波比仿真结果，如图6～图8所示。

图5 不等分功分网络仿真结果 图6 天线阵列驻波比仿真结果

图7 天线阵列H线极化仿真结果 图8 天线阵列V线极化仿真结果

3 极化合成切换网络

为了适应不同卫星对极化方式的需求，在双线极化天线设计完成后还需要增加极化合成切换网络，原理框图如图9所示。极化合成切换网络由2部分组成，阵列天线输出为H线极化和V线极化信号，H线极化信号通过同轴电子开光切换成两路信号H1和H2，V线极化信号通过同轴电子开光切换成两路信号V1和V2，其中H1和V1信号经过圆极化器实现左旋圆极化信号和右旋圆极化信号，H2和V2为H线极化信号和V线极化信号。

4 实验结果及分析

根据仿真结果，加工了该阵列天线，并对天线进行了测试，天线样机测试图如图10所示。

图9 极化合成切换网络原理框图 图10 天线样机侧视图

测试结果如图11～图17所示，天线驻波比在工作带宽内小于1.8，线极化增益大于17.6dBi，天线接圆极化器后测试天线圆极化性能，天线圆极化增益大于17.2dBi，轴比在工作带宽内小于2。

图11 天线样机驻波比测试结果图12 天线样机H线极化方向图测试结果

图13 天线样机H线极化方向图测试结果图14 天线样机左旋圆极化方向图测试结果

图15 天线样机右旋圆极化方向图测试结果 图16 天线样机轴比测试结果

图17 天线样机增益测试结果

5 结论

本文介绍了一种双线双圆极化微带阵列天线，天线单元采用多层结构，通过两种馈电方式和极化合成切换网络实现了双线双圆极化，天线阵列合成网络采用多级不等分功分网络实现天线阵列合理布局。实测结果表明天线增益、驻波比、轴比均取得了良好的结果。该天线可以作为大型微带天线阵列的子阵进行通信，在卫星通信领域具有广泛的的应用价值。

[1] 刘二平，宋长宏.一种新型高效率双极化背腔阵列天线[J].无线电通信技术，2015，(5)：64-66.

[2] GHORBANI K, WATERHOUSE R B. Dual polarized wide-bandaperture stacked patch antennas[J].IEEE Trans Antenna Propagation,2004, 52(8):2171-2174.

[3] 梁剑锋，常立新，刘宁，韩国栋.一种卫星移动通信双极化微带贴片天线[J].电子科技，2014，27(5).

[4] 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:自然科学版,2007,13(1): 10-13

[5] 肖疆, 朱敏慧, 王小青.一种新型双极化口径耦合微带天线单元的研究[J].微波学报,2006,22(4):24-31

[6] 王茂光，吕善伟，刘瑞祥.阵列天线分析与综合[M].成都：电子科技大学出版社,1989.

[7] 刘世彰,李俭兵.高隔离度微带阵列天线的设计[J].电子元件与材料,2014,33(4):45-47.

[8] 李建新, 李迎林, 张金平.一种新型星载SAR宽带双极化微带天线研究[J].电波科学学报,2009,24(2):354-364

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

Designing of a dual linearly polarized and dual circularly polarized microstrip antenna array

ZHAO Dong-he, JIANG Bo, NIU Chuan-feng, SUN Liang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

A dual linearly polarized and dual circularly polarized antenna array with muti-layers printed circuit board is proposed.Dual linearly polarizations are implemented by slots coupling and microstrip lines’ side feeding, while the outputs of dual linearly polarizations and dual circularly polarizations are implemented by using a switch and a 90°bridge, respectively. By optimizing the parameters which affect antenna’s performances, the antenna array is fabricated, with measured bandwidth of over 15% and antenna gain of over 17dB.The antenna unit manifests simply structure and low profile, which is an admirable candidate for the sub-array of large microstrip antenna arrays.

Microstrip antenna；Muti-layers printed circuit board；Dual linearly polarized and dual circularly polarized；Low profile

2017-01-24

赵东贺(1984-)，男，河北沧州人，工程师，主要研究方向为微带天线研究，阵列天线设计等.

1001-9383(2017)01-0025-06

TN821

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