双极化高增益电磁偶极子天线的设计*

肖 阳，陈凯亚

（西南交通大学电磁所，四川 成都 610031）

0 引言

基于相控阵馈源的射电望远镜正成为研究的热点，为获得更好的巡天性能，天线单元应该具有高增益、方向图等化以及可实现双极化等特点[1]，电磁偶极子天线通过同时激励电偶极子和磁偶极子，可以实现良好的方向图等化[2-4]。文献[5][6]采用垂直平面印刷结构的电磁偶极子天线，可以更方便地用于组阵，但它们增益都较小，分别为4.3dB和6.5dB。

左手材料的应用极大地提高了天线的增益[7]，与传统的电磁偶极子天线相比，加载左手材料的电磁偶极子天线的增益得到了明显提升[8][9]。文献[10]中的垂直平面印刷电磁偶极天线加载有H 形左手材料。工作频段内天线增益达到7.4dB～9.7dB。文献[11]设计了一种加载“工”字形左手材料的宽带高增益鱼尾形电磁偶极天线，在频带范围天线的增益为6.67dB～11.07dB，这两款天线均获得较高增益，仿真显示其方向图等化性能不够理想，并且加载左手材料的排列方式为四单元T 形和十单元双层形式，左手材料位于天线中心线上，不利于构成双极化天线。

本文基于“田”字形结构的左手材料[12]，并将左手材料布局在天线中心线两侧，研究了四单元单层和八单元双层的排列方式，并同其他排列方式下的天线性能进行了比较，最后采用八单元双层排列结构，不仅能获得良好的辐射性能，而且实现了双极化设计。

1 “田”字形结构的左手材料设计

文献[12] 通过将多开口谐振环与交叉金属条结合，提出了一种“田”字形左手材料，与多开口谐振环相比，其传输损耗明显降低，左手材料的带宽得到提高。本文设计了工作于L 波段的“田”字形左手材料，其结构如图1 所示，并采用文献[13]中的方法，由S 参数矩阵求得左手材料的折射率、等效介电常数和等效磁导率，仿真结果如图2 所示。可以看出，在1.4GHz 附近，这些参数均为负值，具有左手特性。

图1 左手材料的HFSS 模型

2 加载左手材料的单极化电磁偶极子天线设计

2.1 电磁偶极子结构设计

文献[10]的垂直平面印刷电磁偶极子采用扇形结构，文献[11]采用的是鱼尾形结构，本文采用了结构更简单且尺寸更小的领结形结构，由印刷有电磁偶极子的介质基板和方形金属反射板组成。介质基板使用Rogers RT/ duroid 5880（tm），介电常数为2.2，厚度为0.78mm，反射板大小为1λ×1λ。介质基板的正面印有梯形微带巴伦，环形磁偶极子和领结形电偶极子通过微带线连接到微带巴伦。采用同轴SMA 接头进行激励。

图2 左手材料的参数曲线

2.2 加载左手材料天线性能仿真

本节分別对加载四种不同排列方式左手材料的电磁偶极子天线以及不加载左手材料的天线单元进行仿真分析，其结构如图3 所示，得到其辐射方向图和增益变化曲线。

图3 不同加载情况下的电磁偶极子天线

图4 不同加载情况下的天线增益

图5 S21 性能

图4 表明加载左手材料对在1.1GHz-1.55GHz频带范围内的天线增益有明显的提升，但在1.6GHz附近加载左手材料反而抑制了天线增益，其原因如图5 所示，该左手材料的传输特性对天线的增益有直接的影响，在谐振频率点1.6GHz 处，S21很小，能量很难通过加载的左手材料进行传输。

图6 表明，四单元单层和八单元双层在中心频率处旁瓣不仅优于三单元单层和四单元倒T 形结构天线，而且其E 面、H 面方向图具有更好的等化性，且八单元双层排列可以获得更窄的波束宽度和更高的前后比，并能很容易地进行双极化设计。如继续采用三层排列，就会造成方向图副瓣明显增大，影响天线辐射性能，且增益提升较小。

图6 1.4GHz 处加载不同排列方式的左手材料天线方向图之间的比较

3 加载左手材料的双极化电磁偶极子天线设计

为了实现电磁偶极子天线的双极化设计，需要对微带巴伦进行开槽处理，即在天线a 和天线b 的介质基板上开一对互补的缝隙，以使这两个天线能互相穿插在一起。此外，为了避免天线a 和天线b的馈线发生接触，还需要对天线a 的Γ 形馈线的高度进行调整。如图7 所示，调整后的两组Γ 形馈线能够进行正交放置，且介质板的开槽也不会影响两组Γ 形馈线的完整性。

图7 双极化天线结构

从图8 可以看出，该双极化天线在1.25GHz-1.55GHz频带范围内极化隔离度S12基本优于-30dB，满足双极化天线作为阵列馈源的隔离度要求。其交叉极化特性如图9 所示，在谐振频率1.4GHz 处，天线a 和天线b 的交叉极化增益小于-18dB，交叉极化比大于28dB，表明天线a 和天线b 两个信号之间的相关性较小，天线的极化效果好。

图8 双极化电磁偶极子天线散射曲线

图9 天线的辐射方向图

4 结语

本文针对基于相控阵馈源的射电望远镜对天线增益、方向图以及双极化可实现的要求，研究了加载“田”字形左手材料的天线的性能，设计了加载8 个左手材料单元的电磁偶极子天线，增益达到10.3dB，前后比达到23.7dB，E 面和H 面方向图具有良好等化性。通过对两副电磁偶极子天线进行开槽处理，以垂直交叉的方式组成双极化电磁偶极子天线，具备良好的隔离度和交叉极化性能。该天线可用于构成相控阵馈源阵列，并通过进一步的优化设计，提升射电望远镜的视场性能。