一种提高交叉极化隔离度的16元微带阵列天线_刘藤

一种提高交叉极化隔离度的16元微带阵列天线

刘󰀁藤1,2,罗󰀁勇1,李莎莎2,李旭哲1

(1.电子科技大学,四川成都󰀁610054;2.中国东方红卫星股份有限公司,陕西西安󰀁710061)

摘󰀁要:在现代通信中,特别是卫星通信,有时需要比较高的交叉极化隔离度。对于传统的微带阵列天线来说,由于其馈电网络与阵元均处于同一侧,不仅会产生互耦,影响增益,并且交叉极化隔离度也不能满足广大用户的要求。在此提出

一种新型的馈电结构,旨在提高其交叉极化隔离度。从仿真中可以看出,交叉极化隔离度能达到40dB以上,为实现更大型微带阵列天线网络做出一定的理论实践和工程指导。关键词:微带阵列天线;交叉极化隔离度;馈源网络;开槽线中图分类号:TN823󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1004-373X(2010)14-0114-03

16-elementMicrostripArrayAntennaforEnhancingCross-polarizationIsolation

LIUTeng1,2,LUOYong1,LISha-sha2,LIXu-zhe1(1.UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China;2.ChinaSpacesatCo.Ltd.,Xi󰀁an710061,China)

Abstract:Ahighcross-polarizationisolationissometimesneededinmoderncommunications,especiallyinsatellitecom-munications.Anewfeederstructureisproposedtoenhancethecross-polarizationisolationbecausethearrayelementsandthe

feednetworkareatthesamesideinthetraditionalmicrostriparrayantenna,andthestructurecancauselowcross-polarizationisolationandco-couplingwhichaffectsthegain.ItisfoundfromthesimulationresultcalculatedbyHFSSofAnsoftthatthecross-polarizationisolationishigherthan40dB.Thisconclusioncanprovideagoodreferencetothepracticalengineering.Keywords:microstriparrayantenna;cross-polarizationisolation;feedsourcenetwork;slotline

收稿日期:2010-03-120󰀁引󰀁言

微带阵列天线具有体积小,重量轻,制作简单,安装

方便,容易与有源器件集成,外观美观,受环境影响小等

优点,因此越来越受到人们的欢迎。目前,微带阵列天

线已经成功地用于机载雷达,卫星通信,移动通信和卫

星电视等系统中。

关于微带阵列天线的馈电问题,前人已做了大量的

工作。一般都是辐射片与微带线馈源网络处于同一侧,

如文献[1-2]所述。这种方式由于馈源网络本身会产生

一定的辐射,所以总的辐射场就是各辐射单元的辐射场

与馈源网络辐射场的叠加。由于馈源网络布线并不一

定规则,这无疑会影响天线整体的交叉极化隔离度性

能;同时,由于微带线与辐射贴片存在有互耦,这样还会

进一步使天线交叉极化隔离度性能降低,影响主瓣增

益[3]。在某些特定的应用场合(如卫星通信),要求天线

的交叉极化隔离度性能是比较高的(30dB以上)[4],对

于一般阵元数目比较少的天线阵,还能够满足要求,但

是对于大型或者超大型阵列,以上的馈电方式就很难满足要求了。关于抑制交叉极化隔离度的馈电方式,前人

也做了大量的工作,如文献[5]所述,文章中提到将辐射

单元与馈源网络隔离的方式,能有效提高交叉极化隔离

度;类似的做法再如文献[6]所述;而文献[7]提出一种

用开槽线耦合馈电的方式将能量耦合给辐射单元,亦取

得了良好地效果。本文在总结了前面优秀工作的基础

上,提出一种全新的馈电结构:天线辐射单元与馈源网

络分别处于接地板两侧,通过接地板的开槽线把馈源网

络上的能量耦合到辐射单元上,通过HFSS软件仿真,

得到了比较好的结果,说明此种馈电方式确有比较好的

提高交叉极化隔离度的作用,并为进一步组建大型或超

大型阵列做出指导。

1󰀁辐射单元

辐射单元采用嵌入式微带边馈贴片[8](如图1所

示),这样可以很容易地实现阻抗匹配。对于介质基片

厚度为h=1.5mm,天线工作的中心频率为f0=

12.5GHz,采用相对介电常数为󰀁r=2.2的Rogers

RT/duroid5880介质作为基片,辐射贴片宽度为:

Wp=c2f

0󰀁r+12-12

(1)114科学计算与信息处理刘󰀁藤等:一种提高交叉极化隔离度的16元微带阵列天线式中:c为真空中的光速。确定了宽度,就可以计算其

相对介电常数为:

󰀁re=󰀁r+12+󰀁r-121+10hwp-12(2)

󰀁󰀁天线边缘引起的等效长度为:

󰀁L=0.412h(󰀁re+0.3)(w/h+0.264)(󰀁re-0.258)(w/h+0.8)(3)

󰀁󰀁所以矩形微带片的实际长度一般采用下面的结果:

L=󰀁e/2-2󰀁L(4)

式中:

󰀁e=󰀁0/󰀁re(5)

式(5)中:󰀁0为真空中波长。为了使天线与馈线匹配,

要给天线馈源口开槽,槽深的设计公式是:

Ls=(L/󰀁)arccosZin/ZL(6)

而槽长Ws对天线输入阻抗的影响不是很大,只要大于

馈线一定尺寸即可。用HFSS软件对天线尺寸进行优

化,得到各个尺寸如图1所示,Wp=9.4mm,Lp=

7.3mm,Ws=2.8mm,Ls=2.2mm,馈线长度Lf=

8.25mm,输入阻抗Z=50󰀁。

图1󰀁辐射单元图示

2󰀁2󰀁2微带阵列天线提高交叉极化隔离度原理

关于此类2󰀁2微带阵列天线提高交叉极化隔离度

的原理,文献[7]已经做过详细的描述,这里不再过多讨

论,只给出相应结论。它是先将馈线上的能量耦合到开

槽线上,在开槽线上经过一段距离传输之后,再次耦合

到辐射贴片上,4个辐射贴片2个成一对并行排列。可

以看出,产生交叉极化电场的磁流在远场无论是在E面

或是在H面,都相互抵消了,而传统的馈电方式(馈电

方向均朝向一侧[1]),在H面内由于磁流在其中心两侧

产生的交叉极化电场在远场不能完全抵消,因此会影响

其交叉极化隔离度性能。

文献[7]所提出的馈电方式仍然是将馈线与微带辐

射单元处于同一侧。如果稍加改动,将馈线与辐射单元

分别处于接地板两侧,如图2所示。这样做有2个好

处:能将馈线产生的其他场降至最小,这样在组建大型微带阵列时是非常有必要的;在组建大型微带阵列时,

由于馈源网络与辐射单元处于不同侧,我们就不用再考

虑辐射单元与馈源网络之间的互耦问题,这样,馈源网

络就可以得到很大程度的简化。

基于这样的分析,用电磁仿真软件HFSS进行仿

真实验。图3显示的是图2中E面与H面主极化与交

叉极化在󰀁角[-90󰀁,90󰀁]范围内的结果。可以看出,

这样的馈电方式在中心以及1dB以内仍然能获得很好

的交叉极化隔离度特性。

图2󰀁改动后的辐射单元图示

图3󰀁仿真结果

3󰀁4󰀁4微带阵列天线

有了上面的基础,我们进一步扩大阵元数目。由于

此时不用再考虑馈源网络与辐射单元之间的相对距离,

所以我们将馈源网络设计的越简单越好,以便于工程应

用图[4]。有人担心馈源网络与辐射单元共用一块金属

板,中间的金属板会不会漏电,导致天线无法正常工作。

对此我们知道,金属在电场中具有󰀁静电平衡󰀁作用,当

金属处于平衡状态时,金属体内是没有净电荷的,这样

就不会有电流存在。这样就不用担心通过中心接地板

上下󰀁走电󰀁的问题。但是馈源网络与开槽线一定要保

持一定距离,不然会有很强的互耦。因此,首先想到的

是图4(a)所示的馈源网络,同轴线的输入阻抗是50󰀁,

经过阻抗变换到馈源网络的特性阻抗。在第一功分处

分开要有路径上󰀁g/2的差值,在3处T型功分器处都

选取󰀁g/4阻抗变换(具体设计方法见文献[9-10]),这

样能使网络本身的驻波降到很低,使能量最大限度的进

115󰀁现代电子技术󰀁2010年第14期总第325期󰀁󰀁计算机应用技术󰀁入开槽线,进而耦合到天线辐射单元。实验结果如

图5(a)所示。主极化增益为17.33dBi,交叉极化为

-13.44dBi,交叉极化隔离度在1dB范围内为30dB

左右,符合工程要求。

如果采用图4(b)的馈源网络进行馈电,会得到

图5(b)所示的结果,交叉极化隔离度在40dB左右。

因此可以得出这样一个结论:如果将馈源网络在第一功

分入口隔开的话,交叉极化隔离度性能就会更加良好;

如果牵扯到工程,只需要引入一个事先做好的微带3dB

电桥或者功分器即可[11]。

图5中󰀁角范围内曲线不是很对称,这是由于馈源网络的不对称结构引起的。

图4󰀁反馈网络

图5󰀁幅射方向图

图4(b)所示结构相比图4(a)性能更加良好一些,

这个可以通过图6来加以解释。图6所示为用两个相

位相差󰀁的激励波端口来模拟第一功分口的两路信号,

此时交叉极化隔离度达到50dB以上。当然,这是一个

理想结果,在实际中还要视3dB或者功分器的性能优劣而定。

图6󰀁相位相差元的两个激励波端口得出的辐射方向图

4󰀁结󰀁语

本文在总结了前人优秀工作的基础之上,提出一种

新的给微带阵列天线馈电的馈源网络结构,通过HFSS

软件仿真,说明这种馈电结构确实有助于提高天线的交

叉极化隔离度性能。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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