一种新型宽带双极化微带贴片天线的设计

一种非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线详细教程讲解1 引言由于微带天线具有低截面、轻重量、易加工等特点，这类天线在军事和民用领域的应用范围越来越广。

特别是近年来SAR（合成孔径雷达）技术的快速发展，人们对微带天线提出了越来越高的要求，希望在一个天线上能同时获得宽频带、大扫描角、高效率、低交叉极化的性能，并且具有馈电简单、易与馈电系统集成等多方面的优点。

微带贴片天线的馈电方式有多种，这其中以微带线共面馈电在结构形式上最为简单，同时组阵时易于实现与馈电网络的集成设计，应用较广。

微带馈电的矩形微带贴片天线自报道以来成为应用最为广泛的微带单元形式之一。

但此种矩形微带天线采用单层形式，带宽很窄（通常《3%），且馈电位置仅限于辐射边。

随后，国内外的科技工作者对各类矩形微带天线作了大量的研究。

为展宽工作带宽，介绍了一种辐射边馈电的双层微带贴片天线，其下层贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，两层中间为低介电常数的介质层，该结构利用双谐振来展宽工作频带，此天线的最大工作带宽可达10%左右。

而则率先介绍了一种非辐射边共面馈电的单层矩形贴片天线，当该单元用于微带共面馈电阵列天线设计时可缩短馈电线的长度，简化馈电网络的设计，故其可用作高效微带阵列天线的设计，但其与普通单层矩形微带天线一样带宽较窄。

最近，专利提供了一种针对辐射边馈电双层矩形微带天线的交叉极化抑制技术，其方法是在上、下辐射贴片上同时开4个或4个以上缝隙，缝隙的取向与天线极化方向一致，通过抑制交叉极化的模式电流达到抑制天线单元交叉极化的目的。

将上述多种技术相结合，本文介绍了一种非辐射边馈电的新型双层微带贴片天线，并对该天线的性能特点及其在阵列中的应用情况进行了研究。

2 单元结构及仿真测试结果天线单元的结构组成如图1，为实现宽带工作采用与普通双层微带贴片天线相同的结构形式，整个天线主要由馈电微带板层、泡沫层、寄生微带板层及接地结构板四部分组成。

其中馈电微带板上蚀刻有馈电贴片与馈电微带线，寄生微带板上蚀刻有寄生贴片，为对寄生贴片起保护作用，图中寄生元贴片采用倒置结构。

31.2发展趋势1.2.1小型化微电子技术以及大规模集成电路的快速发展，使天线成为了电子设备中庞大、笨重部件的问题变得更加突出了，对能与设备的大小相互协调且具有效电性能的小天线的需求更加的迫切。

微带天线小型化的方法非常多，但都各具优缺点。

当前主要应用于微带天线的小型化方法多是采用表面开槽，它的突出特点是频带窄，增益小，效率低。

而新材料的应用也颇受重视，比如高温超导(HTS)、光电子带隙(PGB)及有机磁性材料等。

需要指出的是，天线尺寸的缩减往往是以性能作为代价的。

1.2.2宽频带微带天线属于一维小型化谐振式天线，它的Q值高，频带窄。

近些年来出现的U型槽贴片与双层贴片无论是在探针或者是槽孔耦合的馈电方式下都获能得高达40%的阻抗圆极化带宽一般大大低于阻抗带宽，常规的圆极化微带天线轴比带宽不足1%,因此制约圆极化微带天线频带的因素将会转化成增益和极化特性。

1.2.3多功能由于无线通信的飞速发展，使得在雷达、通信及定位系统等领域都非常需要双频/ 双极化微带天线，以此实现频率复用、天线共用和收发双工。

当前，双频天线主要的实现目的是获得可控双频比的双宽频带特性这方面来的，双极化天线主要考虑的是隔离度和每种极化的交叉极化电平。

6图4-2天线的回波损耗图7.5083e+000 5.406le+000 3.3033e+000 1.20176+000 T B050S-001 -3.0927e+000 -5.104Je+B00 -7.207ie+B0S -9.30^3e+000 -1.1412e+001 -1.3514e+001 -1.5616e+001 -1.7718e+001 -1.93206+001 -2.1923C+001 -2.402Se+B01 -2.612?e+001图4-3 3D增益方向图普通微带贴片天线的3D增益方向图如图4-3所示。

由图可以看出该微带贴片天线的辐射最大方向为平面方向，即正Z方向，增益可达到7.5dB，而且还可以得到该方向的宽方向图。

一种S波段宽带双圆极化天线设计本文设计了一种新型宽带高增益双圆极化天线，该天线采用圆形罩杯和多个金属圆盘贴片相结合的层叠结构。

通过改变圆形罩杯和金属圆盘贴片直径的大小来调节天线单元的增益以及天线的阻抗带宽，得到了良好的效果。

天线通过四点正交馈电方法实现圆极化辐射。

馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成。

通过激励90o电桥两个输入端口实现天线左右旋圆极化变换。

采用商业仿真软件HFSS对天线结构尺寸进行优化设计，仿真结果表明该天线具有结构形式简单、增益高、带宽宽、轴比性能好等优点。

该天线适合用于一些小角度扫描的相控阵天线系统。

标签：圆极化；宽带；高增益；轴比1 引言本文设计了一种通过四点正交馈电的高增益罩杯天线，该天线采用圆形罩杯和金属圆盘贴片相结合。

通过多个圆盘贴片谐振在不同的频点来展宽天线的阻抗带宽，同时利用不同尺寸的反射罩杯来改变天线单元增益。

天线的馈电网络由一个90o电桥和两个180o环形电桥组成。

通过HFSS对天线单元结构尺寸进行优化分析，结果表明天线的S11在工作带宽（2Ghz-2.3Ghz）范围内小于15dB。

天线方向图法向轴比在±13o范围内小于1.5dB，增益大于14dB。

这种结构的圆极化天线在一些小角度扫描相控阵天线系统具有广泛的应用前景。

2 圆极化辐射单元设计天线结构形式如图1所示分为2个部分。

上层为罩杯天线，下层为天线的馈电网络。

罩杯天线为4层结构，上3层为辐射金属圆盘，最下层为金属反射罩杯。

辐射金属圆盘通过一个金属圆柱支撑杆串连起来。

罩杯天线的4个馈电点位于最下层的金属圆盘贴片。

为了实现罩杯天线辐射场的左右旋圆极化可变，天线的馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成如图2所示。

通过激励90o电桥不同输入端口实现输出端口相位0o、90o、180o、270o 和270o、180o、90o、0o变化。

通过HFSS对天线单元优化仿真。

一种新型星载SAR宽带双极化微带天线着眼于未来需求,星载SAR 正朝着多极化、高分辨率和宽观测带的趋势发展。

天线作为星载SAR 的重要子系统,对SAR 的功能起着重要作用。

因此,具有大带宽、高隔离度、低交叉极化的微带天线被广泛地研究。

目前,宽带双极化微带天线馈电方式大都采用口径耦合形式,即在接地面上开两个形状完全一样,尺寸略微不同的垂直正交的“H”形或矩形口径进行能量耦合;辐射贴片采用了层叠结构,即在主辐射贴片上方增加相同形状但尺寸不同的寄生辐射贴片。

耦合馈电的方式和层叠结构在显著增加带宽的同时,也减小了伪辐射,有效地提高了端口隔离度。

对于双极化微带天线,通常最重要的指标就是交叉极化,如何抑制交叉极化电平始终是双极化天线研究的焦点。

近年来,一些学者将光子带隙结构(PBG) 应用到天线设计中，从而有效地抑制表面波的影响,但是这种方法也带来天线结构过于复杂的弊端,尤其是对于大型天线阵列,这个问题更加突出。

此外,反向倒相技术被应用在阵列结构中,交叉极化也得到某种程度的抑制。

对于微带天线单元,良好的对称结构有利于高次模的抑制,从而对交叉极化性能有重要的影响。

那么有没有其他对称结构的天线单元形式具有良好的交叉极化性能呢? 基于这种思路,本文做了一些有益的尝试。

本文在采用口径耦合馈电方式和层叠结构的基础上,通过改变寄生贴片的形状,又保持天线整体良好的对称性,提出了一种新型宽带双极化微带天线单元。

计算结果表明:其整体性能优于上述天线结构,兼有大带宽(双端口在VSWR < 2 时阻抗带宽分别为24 %和23.1 %) 、高隔离度(带内优于-48dB ,中心频率处达- 52 dB) 、低交叉极化的特性(双端口E面和1端口H面在方位角为±40°内优于- 53dB ,2 端口H 面在方位角为±10°内优于-40dB)，具有重要工程应用前景。

1 天线的设计天线单元结构如图1～3 所示,把天线主体剖分为八层,第一层和第四层分别为圆形寄生贴片和正方形主辐射贴片,第二、三、五、七层为介质层,第六层为接地面,其上面开有两个正交的矩形孔径,馈线通过孔径耦合能量,从而激励起两种正交模式,实现垂直和水平极化工作状态。