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宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究


第 31 卷   7 期 第    2009 年 7 月

现代雷达 Vol 31  No. 7 .                                  Modern Radar   July 2009 中图分类号 : TN820 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7859 ( 2009 ) 07 - 0074 - 04

? 天馈伺系统 ?

宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究
李迎林 ,李建新
(南京电子技术研究所 ,   南京 210013 )
摘要 : 在层叠结构宽带双极化微带天线单元中 ,常见的是寄生单元和主辐射单元形状相同 ,尺寸略微不同 。目前 ,寄生单 元形状与主辐射单元不同的宽带双极化微带天线结构极少有报道研究 。文中提出了 2 种新型天线结构和 2 种常见结构 , 即正方形 - 圆形 、 正方形 - 圆环 、 正方形 - 正方形 、 圆形 - 圆形 4 种组合 。计算结果表明 : 不同的单元组合 ,得到的天线电 性能不同 ,新型结构与常见结构相比 ,在隔离度和交叉极化电平等性能上较优 。 关键词 : 微带天线 ; 寄生单元 ; 宽带 ; 隔离度 ; 交叉极化

ments of different shapes hasn’t been reported and studied.

0    引 言

深入研究 。与此同时 ,微带天线的应用也越来越广泛 , 工程需求的技术指标也越来越高 。因此 , 对宽带双极 化微带天线的研究有着重要的理论和现实意义 。 目前 ,文献中常见的宽带双极化微带天线有 2 个 显著特点 : ( 1 )多采用层叠结构 ,寄生单元和主辐射单元形状 相同 ,尺寸略微不同 。这样既保持了天线的良好对 称性 ,有利于抑制交叉极化电平 ,同时又便于调谐。 ( 2 )采用口径耦合的馈电方式 。口径耦合的馈电 [1] 方式是 pozar在 1985 年首次提出 。与其他馈电方式 相比 ,其能够得到更大的带宽 ,同时将辐射单元和馈电 [7] 网络分开 ,减少了微带馈线对天线辐射元的干扰 。 宽带双极化微带天线工作性能的优劣很大程度上 取决于交叉极化 、 隔离度的抑制和宽带的实现 。交叉 极化和隔离度的抑制目前主要采用的技术有 :
通信作者 : 李迎林     Ema il: liyinglin666@ sina. com 收稿日期 : 2009 2 2 02 18 修订日期 : 2009 2 2 05 19
[2 - 6]

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posed: square 2square, circular2circular, square 2ciucular, square 2ring type . From results of sim ulation, we see : different combination polarization. Key words: m icrostrip antenna; parasitic element; bandw idth; isolation; cross2 polarization

Abstract: In the stacked broadband and dual2 polarized m icrostrip antennas, the common structure is such that the shape of the par2 asitic and the main elements are the same and their size is a little different A t p resent, the stacked structure w ith two radation ele2 . has different perfor mance. The novel structures are better than the common ones in ter s of isolation betw een two ports and purity of m

微带天线自诞生至今 , 已得到国内外众多学者的

A Study on D ifferen t Para sitic Elem en ts of D ua l2polar ized and W ide 2band M icrostr ip Pa tch An tenna
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,  Nanjing 210013, China ) L I Ying2lin, L I J ian 2xin ( 3 )采用光子晶体结构 [ 8 ] 。

In this paper, t o novel antennas and two common antennas are p ro2 w

( 1 ) 保持天线单元和馈电位置的良好对称性 ; ( 2 )采用错位倒相馈电技术 ;

受加工技术的制约 ,对于单元 ,最方便有效的莫过 于第一点 。那么 ,有没有其他的对称结构的单元能够 实现很好的交叉极化和隔离度特性呢 ? 本文做了一些 有益的尝试 。 计算结果表明新型天线与常见天线相比 , 具有较 优的电性能 ,尤其在隔离度和交叉极化性能上 ,具有重 要工程应用前景 。

1  天线的设计与仿真

本文仅给出正方形 - 圆形天线结构设计过程 ,其他 3 种天线单元结构只给出示意图和最终设计参数 ,如图 1 所示 ,把天线主体剖分为 8层 ,第 1层和第 4 层分别为圆 形寄生贴片和正方形主辐射贴片。第 2、、、 层为介质 3 5 7 层。第 6层为接地面 ,其上面开有 2 个正交的矩形孔径 , 馈线通过孔径耦合能量。第 8 层为馈电层。天线第 2、 5 层介质板选用 Duroid 5880,第 3 层介质板选用泡沫 ,第 7 层介质板选用陶瓷板 ,工作中心频率为 5. 2GHz,依据传

 ? 天馈伺系统 ?

李迎林 ,等 : 宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究
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输线模型中的公式

ε eff ε +1 ε - 1 3 3 1 ε = + eff 2 2 1 + 12 h3 /L (ε + 0. 300 ) ( L / h3 + 0. 262 ) eff Δ   L = 0. 412 h3 (ε - 0. 258 ) ( L / h3 + 0. 813 ) eff
2 f0
L = ( c / 2 f0

L =

c

( 1) ( 2) ( 3) ( 4)

式中 : c、0 、 eff 、 L 分别为真空中光速 、 f ε Δ 天线工作中心 频率 、 等效介电常数 、 辐射边缘场的补偿尺寸 。通过迭 代式 ( 1 ) ~ ( 4 )可以求出正方形贴片边长 L。 a 为圆 式 形贴片的有效半径 ,χ n为 J ′( x) 的第 m 个零点 ,由于 m n 圆形寄生贴片工作的主模为 T 11模 ,所以我们取 f11 = M χ 可以查表取 1. 841 2, 通过迭代式 ( 5 ) 、 ( 6 ) 可 f0 , 11 式 求出圆形贴片物理半径 a ′ 。

ε ) - 2 L Δ eff

ε ( 5) 1 1 /2 π /2 π ε a = a ′1 + 2 h ( ln ( a ′ h ) + 1. 772 6 ) / a ′ 〕 〔 1 ( 6)

χm n π fm n = c ′ / 2 a

图 1  正方形 - 圆形天线结构示意图

   本文选用 HFSS软件进行仿真 。软件优化后的天 线结构参数为 ε = 2. 2,ε = 1. 08,ε = 2. 2,ε = 4. 2, 1 2 3 4
h1 = 0. 254 mm , h2 = 4. 8 mm , h3 = 1. 524 mm , h4 = 0. 508 mm , w 1 = 1. 9 mm , w 2 = 1. 1 mm , L3 = 10. 4 mm , L4 = 13. 5 mm , R = 20. 1 mm , L4 = 13. 5 mm

状态 , 3 种天线结构 ,如图 2 所示 。

ε 、 2 、 3 、 4 、1 、2 、3 、4 分别为第 2、、、 层介 h h h 3 5 7 1 ε ε ε h 质板的介电常数和厚度 , w 1 、 2 、 3 、 1 、 2 、 3 、 4 分别 w w L L L L 为馈线宽度 、 孔径宽度 、 开路枝节的宽度 、 孔径中心到
1 端口的距离 、 开路线长 、 孔径长度 、 孔径中心到 2 端

口的距离 , R 为圆形贴片直径 。 至此 , 正方形 - 圆形天线单元设计完成 。为了尽 可能便于对比分析 ,其他 3 种天线结构的介质板规格 完全相同 , 馈线部分和耦合孔径位置尺寸仅做微调 。 其中 ,正方形 - 正方形 、 正方形 - 圆形 、 正方形 - 圆环 结构中正方形主辐射帖片尺寸完全相同 , 尽可能多的 调谐寄生辐射帖片 。最终将 4 种天线都调至最佳匹配

图 2  3 种天线结构

2  理论分析
双极化微带天线是通过水平和垂直两个端口激励 起两种不同的模式实现水平极化和垂直极化的 。之所 以辐射口径共用 ,主要是为了减小天线的尺寸和减轻 — 75 —

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现代雷达

天线的重量 。反过来 , 在忽略两个极化端口之间“ 串 音” 的条件下 , 也可以将双极化微带天线等效为一个 水平激励的天线和一个垂直激励的天线 , 这样便于分 析 。以正方形 - 圆形为例 ,仅分析水平端口 ,垂直端口 与水平端口相同 。

35. 5 dB ,圆形 - 圆形天线隔离度特性与正方形 - 正方

形相近 。正方形 - 圆形 、 正方形 - 圆环两种新型天线 隔离度特性明显较好 ,带内优于 - 40 dB。

图 3  电磁等效

图 4  双端口驻波特性

如图 3 所示 ,将原始问题转化为等效问题 。此时 , 口径被理想导体板代替 , J1 为正方形帖片上的感应电 流 , J2 为圆形寄生帖片上的感应电流 , J F 为馈线上的 激励电流 , M a 和 M b 分别为等效磁流 , 由于口径上切 向电场分量连续 , 所以 M a 与 M b 大小相等 ,方向相反 。 根据边界条件可得 ,在传导路径上
Ec ( J2 ) + Eb ( J1 ) + Eb (M b ) = 0

在馈线上
图 5  隔离度特性

Ea (M a ) + Ea ( J F ) = 0

在口径上
Hb (M b ) + Hb ( J1 ) + Hc ( J2 ) = Ha (M a ) + Ha ( J F )

图 6 为 1 端口 E 面的极化方向图 。正方形 - 正方 形、 圆形 - 圆形 、 正方形 - 圆形 、 正方形 - 圆环 1 端口
E 面交叉极化电平分别为 - 39 dB、- 36 dB、- 40 dB、 - 40 dB ,在 0 ° 时差距更明显 。

这些边界条件通过选择测试函数和在谱域中采用 [7] 矩量法来实施 ,解最后的积分方程可以得到未知的 电流分布 ,进而得到天线辐射场的信息 。

3  计算结果分析
图 4 为 4 种天线单元的双端口驻波特性 。 VSW R < 2 时 , 正方形 - 正方形天线 1 端口和 2 端口阻抗带 宽为 29. 8% ( 4. 45 GHz~6 GHz)和 27. 9% ( 4. 45 GHz ~5. 9 GHz) ; 正方形 - 圆形天线 1 端口和 2 端口阻抗 带宽分别为 28. 8% ( 4. 4 GHz ~ 5. 9 GHz) 和 27. 9%
( 4. 4 GHz~5. 85 GHz) ; 圆形 - 圆形天线 1 端口和 2

图 6  1 端口 E面极化方向图

端口阻抗带宽为 2 9. 8 % ( 4. 4 GHz ~ 5. 9 5 GHz ) 和 30. 8% ( 4. 4 GHz~6 GHz) ; 正方形 - 圆环天线 1 端口 和 2 端口阻抗带宽分别为 26. 9% ( 4. 5 GHz~5. 9 GHz) 和 25% ( 4. 5 GHz~5. 8 GHz) 。对于宽带天线而言 , 4种 天线带宽差距很小 ,中心频都为 5. 2 GHz。 图 5 显示天线单元双端口隔离度特性 。正方形 正方形天线在 4. 5 GHz~5. 5 GHz之间隔离度达到 — 76 —

图 7 为 1 端口 H 面极化方向图 。正方形 - 正方 形、 圆形 - 圆形 、 正方形 - 圆形 、 正方形 - 圆环 1 端口
H 面交叉极化电平分别为 - 39 dB、- 35 dB、- 40 dB、 - 40 dB。

图 8 显示 2 端口 E 面极化方向图 。正方形 - 正方 形、 圆形 - 圆形 、 正方形 - 圆形 、 正方形 - 圆环 2 端口 E 面交叉极化电平分别为 - 30 dB、- 30 dB、- 40 dB、

 ? 天馈伺系统 ?

李迎林 ,等 : 宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究

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- 38 dB。

- 圆形 、 正方形 - 圆环 4 种不同组合的宽带双极化微

从图 6 ~ 8 可以看出 ,正方形 - 圆形 、 图 正方形 圆环 2 种天线交叉极化相对于另外 2 种类型得到了较 好的抑制 ,这种优势在某些方位角度内更突出 。

带天线单元 。计算结果表明正方形 - 圆形 、 正方形 圆环两种新型天线单元与常见的另外两种天线单元相 比 ,隔离度和交叉极化电平得到了很好的抑制 。造成 这种结果的原因可能是不同的帖片形状激励起的工作 模式不同 ,从而使交叉极化分量得到部分抵消 。目前 4 种天线单元正在加工中 , 详尽的理论分析有待加工 测试之后做进一步研究 。但单从仿真计算结果已可以 说明 2 种新型天线具有可行 、 重要的工程应用前景 ,同 时也可以尝试其他各种不同形状的组合 。 参考文献
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图 7  1 端口 H 面极化方向图

图 8  2 端口 E面极化方向图

京电子技术研究所 , 2002.

图 9  2 端口 H 面极化方向图

图 9为 1端口 H 面极化方向图。在较小的方位角 内 , 4种天线交叉极化电平相近 , 接近或优于 - 40 dB。 造成 H 面交叉极化电平在大方位角内较高的原因是为 了达到良好的阻抗匹配 ,使 2端口耦合孔径的位置偏置 贴片中心距离过大 ,相对于 1端口 ,对称性变差。 4 种型号天线单元带内平均增益都接近 8 dB。中 心频处两种新型单元增益略高于另外两种 。

[8]  付云起 , 袁乃昌 , 温熙森 . 微波光子晶体天线技术 [M ].

北京 : 国防工业出版社 , 2006.

李迎林   , 1984 年生 ,硕士研究生 。 男

4  结束语
本文设计了正方形 - 正方形 、 圆形 - 圆形 、 正方形

李建新   , 1966 年生 ,研究员 , 发表论文 60 余篇 。研究 男

方向为相控阵天线 、 自适应天线 、 赋形反射面天线 。

w ith etched bars for dual polarisation [ J ]. Electronics Let2 Nanjing Research Institute of Electronics Technology M i2 . fense Industry Press, 2006. Fu Yunqi, Yuan Naichang, W enxiseng M icrowave photon2 . ics crystal antenna technology [M ]. Beijing: National De2 crostrip antenna design manual [M ]. Nanjing: Nanjing Re2 search Institute of Electronics Technology, 2002. p ling[ C ] / / IEEE Antennas and p ropagation society interna2 w ide 2band stacked m icrostrip antenna w ith aperture coup ling ized , wide 2band m icrostrip patch antenna w ith aperture cou2

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