低交叉极化印刷偶极子阵列天线设计
S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线设计
0
-10
Return Loss (dB)
-20 Measured (2-layered) Simulated (2-layered) Simulated (1-layered)
-30
图 1(a) 单层平面 Balun 偶极子天线结构
-40 2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Frequency (GHz)
1
引言
随着电子对抗技术的发展， 相控阵雷达
点而得到广泛的研究和应用
[1，2]
。频带窄是
普通印刷偶极子天线的主要缺点 ,目前已有 许多途径来展宽这类天线的频带， 如双面偶 极子天线 ，平面 Balun 偶极子天线 等。 但是这些天线虽然频带性能好 , 但交叉极 化严重, 辐射特性受损。 本文提出一种新型宽带低交叉极化印 刷偶极子天线，该天线采用双层平面 Balun 偶极子结构， 不仅具有平面 Balun 偶极子天 线的宽频带特性， 同时降低天线交叉极化电 平。 使用该双层平面 Balun 偶极子天线单元
S 波段宽带低交叉极化 印刷偶极子阵列天线设计
周占伟 杨仕文 聂在平
（电子科技大学，四川 成都，610054 ） 摘 要:设计出一种新型宽带低交叉极化印刷偶极子天线，该天线采用双层平面 Balun 偶极子 结构，不仅具有平面 Balun 偶极子的宽频带特性，同时降低天线交叉极化电平。使用该天线单元设 计制作 S 波段 16 元线阵，测试结果表明，阵列天线工作带宽达到 50%，交叉极化电平小于-43dB。 实验结果验证了该天线阵的宽带低交叉极化特性。 关键词: 印刷偶极子, 宽带, 低交叉极化, 阵列天线
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -180
低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线阵列设计与研究
低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线阵列设计与研究低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线阵列设计与研究摘要：本文设计并研究了一种低剖面、宽带、圆极化的磁电偶极子天线阵列。
基于补偿技术，通过对单元天线的设计优化、组合方式和阵列结构的优化，实现了较好的带宽和阵列性能。
阵列中的磁电偶极子天线单元为近似于圆形的五边形单极子，其宽带天线结构采用0.6mm的FR4基板，其半径为18.2mm，天线高度为4mm。
该天线的阻抗带宽为约40.5%（7.55GHz至11.75GHz），圆极化带宽为1.8%。
为了提高天线阵列的方向图稳定性，采用了一个25mm×25mm×50mm的介质补偿体作为天线阵列的底座。
通过反射系数和方向图测量分析，证明了该阵列的较优性能。
本文阐述了补偿技术的优越性和阵列结构设计的重要性，可为高性能、低剖面、宽带、圆极化磁电偶极子天线的设计提供参考。
关键词：低剖面、宽带、圆极化、磁电偶极子天线、阵1.引言随着无线通信技术的不断发展，对天线性能的要求越来越高。
在很多情况下，需要天线在宽带范围内工作，并保持较好的方向图和圆极化性能。
磁电偶极子天线由于其具有较好的宽带性能和圆极化性能而备受青睐。
然而，传统的磁电偶极子天线存在较高的剖面，这在某些应用场合下会限制其使用。
因此，设计一种低剖面的宽带圆极化磁电偶极子天线阵列具有重要意义。
本文提出一种低剖面、宽带、圆极化的磁电偶极子天线阵列，通过补偿技术和优化阵列结构来实现其优良性能。
2.设计与优化2.1 单元天线设计阵列中的磁电偶极子天线单元为近似于圆形的五边形单极子，其宽带天线结构采用0.6mm的FR4基板，其半径为18.2mm，天线高度为4mm。
采用CST Microwave Studio软件模拟得到该天线的阻抗带宽为约40.5%（7.55GHz至11.75GHz），圆极化带宽为1.8%。
2.2 组合方式优化将多个单元天线组合成阵列具有提高天线性能的潜力。
一种新型毫米波磁电偶极子天线阵列设计
一种新型毫米波磁电偶极子天线阵列设计陆贵文;李明鉴【摘要】该文将磁电偶极子天线作为辐射阵子，并应用一种共面波导馈电网络，研究并设计了一种新型4×4毫米波天线阵列。
这种设计不仅具有很宽的阻抗带宽和增益带宽，而且价格低廉易于生产。
仿真和测试结果表明，此天线阵列的相对阻抗带宽为54.5%,3 dB增益带宽为37.1%，在工作频带内(40.2~70.0 GHz)，最大增益为18.1 dBi。
而基于其他技术设计的4×4毫米波天线阵列(如微带天线、偶极子天线)工作频带宽度一般在20%左右，增益一般在16~17 dBi。
所以该文提出的天线阵列设计具有明显的优势。
另外，仿真设计结果和实测的电参数数据有较好的一致性。
%This paper presents a new 4×4 millimeter-wave antenna array, which adopts the magneto-electric dipole as the radiating element and a type of coplanar waveguide feed network to excite the array. This design not only provides very wide impedance and gain bandwidths, but also has features of low cost and ease in fabrication. The simulated and measured results reveal that this array exhibits a wide impedance bandwidth of 54.5% and a wide 3 dB gain bandwidth of 37.1%. Over the operating frequency band (40.2~70.0 GHz), the maximum gain is 18.1 dBi. However, other 4×4 millimeter-wave antenna arrays, designed based on microstrip patch antenna or electric dipole antenna, have the operating bandwidth of about 20% and the gain of 16~17 dBi. Hence, the proposed antenna has an obvious advantage. In addition, the simulated and measured results have a good agreement.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】4页(P2517-2520)【关键词】毫米波天线阵列;磁电偶极子天线;宽带天线【作者】陆贵文;李明鉴【作者单位】香港城市大学毫米波国家重点实验室中国香港;香港城市大学毫米波国家重点实验室中国香港【正文语种】中文【中图分类】TN821为了实现海量数据传输和弥补匮乏的可用频谱，提高载波频率是必然的解决方案。
印制偶极子天线设计
a) Postion 输入：-L1 ,-W1/2 ,H b) Axis：Z c) XSize：-W2 d) YSize：-L2
图 18 调整试图（to fit the view） 4. 选择菜单下拉选项 ViewFit AllActive View,或者按“ctrl+D”
Point2：-W3-L4 ,W1/2 ,0mm
图 35
镜像生成左侧的三角形和矩形 1. 同时选中 Rectangle1 和 Polyline2
图 36
图 37 2. 菜单下 EditDuplicateMirror,生成新物体名称为 Rectangle1_1 和 Polyline2_1
a) X:0.0，Y:0.0，Z:0.0,按“Enter”按键 b) dX:0.0，dY:1，dZ:0.0,按“Enter”按键
图 25
图 26
创建下表面金属片 1. 创建介质层 BOTTOM 面的金属片----传输线 Top_patch_1(采用镜像的方法进行绘制) 2. 选中 Dip_Patch，菜单下 EditDuplicateMirror,生成新物体名称为 Dip_Patch_1
a) X:0.0，Y:0.0，Z:0.0,按“Enter”按键 b) dX:0.0，dY:1，dZ:0.0,按“Enter”按键
图1
二）设置工具选项
1．选择菜单中的工具（Tools）选项（Options）HFSS 选项 （HFSS Options）如图 2 所示
图2 2. 弹出对话框 HFSS Options，如图 3 所示
图3
1) 点击常规（General）标签 a) 建立新边界时，使用数据登记项的向导（Use Wizards for data entry when creating new bound boundaries）： 勾选上。 b) 用 几 何 形 状 复 制 边 界 （ Duplicate boundaries/mesh operations with geometry）：勾选上。 c) 点击确定
一种低交叉极化相控阵单元的设计
一种低交叉极化相控阵单元的设计张闻涛,张晓辉(中国空空导弹研究院,河南洛阳471009)摘要:利用双面印刷单元电场反相抵消的特性和短路销钉加载的方式,抑制馈电巴伦带来的耦合效应,设计了一种宽带㊁低交叉极化特性的V i v a l d i 相控阵单元,单元的交叉极化电平在很宽的角度上降低到了-50d B 的量级,组阵对有源方向图和2个主平面扫描后方向图的交叉极化电平进行了优化分析,扫描过程中,交叉极化并未有明显的抬高恶化现象,扫描至45ʎ波位,最大电平依然小于-45d B ,满足相控阵单元对交叉极化的要求㊂关键词:相控阵单元;低交叉极化;V i v a l d i 天线中图分类号:T N 821.8 文献标识码:A 文章编号:C N 32-1413(2020)06-0101-04D O I :10.16426/j .c n k i .jc d z d k .2020.06.022D e s i g n o f A P h a s e d A r r a y El e m e n t w i t h L o w C r o s s P o l a r i z a t i o n Z H A N G W e n -t a o ,Z H A N G X i a o -h u i(C h i n a A i r b o r n e M i s s i l e A c a d e m y ,L u o y a n g 471009,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r u s e s t h e r e v e r s e p h a s e o f f s e t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d o u b l e -s i d e d p r i n t i n g un i t e l e c t r i c f i e l d a n d t h e w a y o f s h o r t c i r c u i t p i n l o a d t o i n h i b i t e t h e c o u p l i n g e f f e c t b r o u g h t b y f e e d i n gb a r r o n ,d e s i g n s a V i v a l d i p h a s e d a r r a y un i t o f b r o a d b a n d a n d l o w c r o s s p o l a r i z a t i o n ,a n d t h e c r o s s p o l a r i z a t i o n l e v e l d e c r e a s e s t o -50d B m a g n i t u d e i n w i d e r a n gl e .T h e a c t i v e p a t t e r n a n d t h e c r o s s p o l a r i z a t i o n l e v e l o f s c a n n e d p a t t e r n f o r t w o m a i n p l a n e s a r e o p t i m i z e d a n d a n a l y z e d t h r o u g h g r o u pa r r a y .I n t h e s c a n n i n g p r o c e s s ,t h e c r o s s p o l a r i z a t i o n d o e s n o t s i g n i f i c a n t l y r a i s e t h e w o r s e n i n g ph e -n o m e n o n ,w h e n s c a n n i n g to 45ʎw a v e l e t ,t h e m a x i m u m l e v e l i s s t i l l l e s s t h a n -45d B ,w h i c h m e e t s t h e r e q u i r e m e n t o f p h a s e d a r r a y un i t t o c r o s s p o l a r i z a t i o n .K e y wo r d s :p h a s e d a r r a y u n i t ;l o w c r o s s p o l a r i z a t i o n ;V i v a l d i a n t e n n a 收稿日期:202008170 引 言近些年由于集成电路和半导体技术的迅猛进步,相控阵技术得到了飞速的发展㊂相控阵天线以其波束指向灵活㊁指向切换速度较快且无惯性㊁易于赋形等特点在机载雷达㊁弹载雷达等诸多领域中被广泛使用[1]㊂相控阵天线是相控阵雷达的关键组成部分,其性能优劣对雷达有着至关重要的影响㊂天线的主要性能指标有增益㊁半功率波束宽度㊁副瓣等指标,而人们对天线的交叉极化研究较少,天线的交叉极化定义为主极化与交叉极化平面的电场分量之比,由于天线极化的特殊性,任何天线都会有不同程度的交叉极化分量[2]㊂微带因其结构简单且重量较轻㊁易于共形等特点近些年也被广泛应用在了雷达天线上,很多学者对微带天线的交叉极化开展了大量的研究[3],但大多集中在固定波束的天线设计上,相控阵天线研究相对较少㊂在微带天线中,角馈微带天线抑制交叉极化研究方法较多,文献[4]中研究了角馈方形贴片的电流分布,得出了在贴片末端增加一段延长线可减小交叉极化的结论,文献[5]中通过在角馈方形贴片微带天线上开槽抑制交叉极化,交叉极化增益降低到了-42d B ,普通的辐射贴片与馈电网络在一面上均会有较强的辐射,会产生较强的交叉极化,普通单面微带偶极子单元的交叉极化一般为-20d B ,这将会严重影响测角误差[6]㊂为了改善交叉极化特性,利用电场的相互抵消特性,文献[7]提出了双面辐射微带偶极子的设计方法,交叉极化分量有了明2020年12月舰船电子对抗D e c .2020第43卷第6期S H I P B O A R D E L E C T R O N I C C O U N T E R M E A S U R EV o l .43N o .6显的改善,约为-35d B ,但交叉极化分量的分布并不平坦,仅是在法向角度附近区域量级较低,随着角度的增大,量级会恶化至-30d B 左右[8],交叉极化对单脉冲雷达的测角有着较为严重的影响,交叉极化增大后会引起方位或俯仰的失调角增大,从而造成目标的丢失[9]㊂此外交叉极化对抗干扰也有着不可忽视的影响,因此研究单脉冲雷达下的微带相控阵的交叉极化特性对高性能雷达有着重要意义㊂本文考虑了工程中装夹夹具对天线的影响,提出了一种宽带低交叉极化的相控阵单元,利用双面印刷阵子电场反相抵消的特性和短路销钉加载的方式,抑制馈电巴伦带来的耦合效应,使得单元的交叉极化电平在很宽的角度上降低到了-50d B 的量级,波束扫描中交叉极化并未明显抬高恶化现象,满足相控阵单元对交叉极化的要求㊂1 原理分析天线设计的极化或期望的极化称为主极化,而与之正交的极化则称为交叉极化,实际上不同形式的天线产生交叉极化的方式不同,交叉极化的量级也相差较大,为了描述天线的极化纯度,业界提出了交叉极化鉴别率(X P D ),其定义为:D X P =20l gE mE c(1)式中:E m 为天线的主极化;E c 为天线的交叉极化㊂V i v a l d i 天线属于行波天线,其电场是在不断流动的,目前还难以给出电场和磁场的准确计算公式㊂不失一般性,利用微带偶极子的特性推导出了交叉极化的公式[10],假设垂直极化为主极化:ρL(θ,ϕ)=E V E H =-c o s θ(1+t a n ϕ)1-t a n ϕ(2)式中:E V ㊁E H 表示电场的垂直极化分量和水平极化分量;θ㊁φ表示空间的俯仰角和方位角㊂由式(2)可以看出,线极化的交叉极化鉴别率是一个关于空间剖面㊁扫描角的函数,极化比随着扫描角改变而改变㊂对于相控阵天线来说,交叉极化随着扫描角度的增大而增大,这就给大扫描角下的雷达性能较大的影响,因此需要研究波束扫描下的交叉极化的变化情况㊂2 单元设计V i v a l d i 天线是一种超宽带天线,能够在很宽的频带内保持良好的匹配特性,在宽带相控阵中得到了广泛的使用㊂常见的V i v a l d i 天线有单面㊁双面及对踵等形式,每种天线都有各自的特点㊂考虑到工程应用,本文选取形式为带状线巴伦馈电的双面微带偶极子的形式,天线由双面微带偶极子㊁带状线馈电巴伦㊁金属夹具底座㊁短路销钉(金属化过孔)㊁微带线与同轴连接器等组成,结构如图1所示㊂图1 微带馈电的双面V i v a l d i 天线模型图天线的表面波是V i v a l d i 天线产生交叉极化较高的主要原因㊂很据天线的电场分布,双面偶极子相对于单面偶极子具有更宽的宽带特性和较低的交叉极化特性,单面偶极子的电场分布与双面偶极子电场分布对比图如图2所示㊂图2 单双面偶极子电场分布图从电场分布可以看出,采用双层介质板后,介质板中的横向交叉极化分量相互抵消,交叉极化分量相对于单面会有明显的改善,电平一般为-20~30d B 量级:相对于单面天线,双面V i v a l d i 天线在一定程度上利用双面电场的互相抵消特性显著改善了天线的交叉极化特性,馈电巴伦的辐射也得到了抑制,但是绝对量级依然不够,且只是在法向附近一个较小的角度内实现较低的交叉极化电平,其余角度依然较高,不满足相控阵单元对交叉极化的要求㊂V i v a l d i 天线是行波天线,由行波天线原理可201舰船电子对抗 第43卷知,电磁波在槽线中边流动边辐射,从而能够实现宽带工作,但在实际中发现,V i v a l d i天线中不仅有行波能量还有驻波能量㊂驻波能量的主要来源是天线在低频工作中,由于天线的尺寸或宽度不能满足低频天线的辐射要求,使得低频能量不能够完全而有效地辐射㊂一部分能量会通过端口反射回来;一部分能量会以表面波形式再次辐射㊂由于扫描角的需要,相控阵天线尺寸受到了间距的很大限制,一般约为二分之一个波长,这也就使得天线宽度必须压缩在一个较小的尺寸内㊂为了减小天线的尺寸,微带天线通常选用介电常数较高㊁损耗较小的基板㊂即便如此,也难以满足低频驻波对天线基板尺寸的要求,只能优化巴伦与天线输入阻抗,从而满足匹配的要求,但这是以牺牲天线的交叉极化电平和增益来换取有源驻波的匹配㊂表面波不仅是产生交叉极化的原因,馈电网络对交叉极化的贡献亦不可忽略㊂对天线及馈电巴伦进行了仿真,电场对比如图3所示㊂图3天线电场分布图(馈电为抑制)从双面V i v a l d i电场分布图上可明显看出,该类型的天线馈电巴伦多为带状线,且在槽线的起始处为开路状态,电磁波在流经巴伦时,由于介质板内能量有较大的耦合效应,使得巴伦的能量一部分顺着巴伦流向了天线,一部分耦合至微带基板的边缘,馈线路径上的耦合及开路处的耦合共同使得天线边缘处的非辐射能量增加,严重恶化了交叉极化㊂基于此,为了抑制馈电巴伦的耦合效应,可以采取多种措施㊂本文采用较为简单㊁也易于加工的金属化过孔对耦合效应进行抑制,在馈电线的两边及馈电与天线单元间增加一排金属化过孔,横向上束缚馈电巴伦的能量,纵向上将辐射区域与馈电区域进行隔离,通过优化金属化过孔的位置和排列重新对电场分布进行分析和仿真,如图4所示㊂图4天线电场分布图(馈电抑制)增加金属化过孔抑制馈电耦合效应后,天线辐射的电场与馈电巴伦对基板的耦合二者相互耦合显著减小,馈电能量得到了有效的束缚,优化后交叉极化在整个方位角度内低于-40d B,法向附近优于-50d B,较未增加隔离措施的情况增加了约为-20d B㊂馈电抑制后天线单元方向图如图5所示㊂图5馈电抑制后天线单元方向图3阵列扫描相控阵天线由于间距减小,单元之间的互耦影响不可忽略,为了评估互耦对交叉极化特性的影响,也同时检验阵中单元方向图是否有盲点,需要在互耦环境下对单元进行评估,这里建立了一个7ˑ7的阵列,中心单元在2个主平面上各考虑了2圈单元的互耦,互耦量级约为-23d B,呈单调下降趋势,阵中单元归一化方向图如图6所示,单元增益约为7d B,全角度内交叉极化曲线较为平坦,最大交叉极化量级约为-45d B,与孤立单元基本相当,完全满足低交叉极化相控阵天线单元的要求㊂由公式(2)可知,交叉极化会随着扫描方向图波位的增加而增加,尤其是在大角度时,交叉极化会有301第6期张闻涛等:一种低交叉极化相控阵单元的设计图6 阵中单元有源方向图明显的恶化,主要是由于较强互耦引起的反射所致㊂为了验证扫描后方向图的交叉极化抑制情况,按照天线实际长度沿着天线的E 面和H 面分别组建了十二单元的线阵,波束扫描范围为ʃ45ʎ,扫描角间隔15ʎ,给出了扫描至45ʎ的阵列2个主平面的方向图,如图7㊁图8所示㊂图7 单元线阵扫描方向图(H 面)图8 单元线阵扫描方向图(E 面)从仿真结果可看出,E 面㊁H 面扫描至45ʎ波位,E 面交叉极化略高,约为-48d B ,H 面为-52d B ,在整个扫描过程中,天线主波束扫描正常,电平一直保持在-45d B 以下,交叉极化无明显恶化和抬高现象,满足相控阵天线低交叉极化的要求㊂4 结 论本文主要对影响微带天线的交叉极化的主要因素进行了分析,设计了一种同轴转带状线巴伦馈电的双面V i v a l d i 天线,利用双面印刷阵子电场反相抵消的特性和采用短路销钉加载的方式,抑制了馈电巴伦带来的耦合效应,使得单元的交叉极化电平在很宽的角度上降低到了-50d B 的量级㊂对单元进行组阵,阵中有源方向图正常无畸变,交叉极化较为平坦,约为-45d B ,同时沿着E 面㊁H 面组阵进行波束扫描,波束扫描正常,扫描过程中交叉极化电平最大一直保持在-45d B 以下,无明显恶化和抬高现象,设计的V i v a l d i 相控阵天线具有宽带㊁低交叉极化的特性,满足相控阵天线组阵的要求㊂该方法简单㊁有效,为低交叉极化的相控阵单元设计提供了一条有效的技术途径㊂参考文献[1] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M ].北京:电子工业出版社,2006.[2] 康行健.天线原理与设计[M ].北京:国防工业出版社,1995.[3] F U C H S B ,F U C H S J J .O p t i m a l p o l a r i z a t i o n s yn t h e s i s o f a r b i t r a r y a r r a y s w i t h f o c u s e d p o w e r p a t t e r n [J ].I E E E T r a n s .o n A n t e n n a s a n d P r o p a ga t i o n ,2011,59(12):45124519.[4] 吴峻岩,牛全民,张丰.角馈方形贴片微带天线交叉极化抑制方法研究[J ].空军预警学院学报,2019(2):9397.[5] 俞文明,刘忱,方大纲.角馈方形微带贴片阵列天线交叉极化的研究[C ]ʊ第十二届全国电磁兼容学术会议论文集,2002:138141.[6] 杨春宇,姜红军.交叉极化角度欺骗性能分析[J ].空天防御,2018(7):1619.[7] 周占伟,杨仕文.S 波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线的设计[J ].电波科学学报,2008(4):280283.[8] 韩星,周宇.跟踪制导雷达交叉极化测角误差分析[J ].火控雷达技术,2018(6):1821.[9] 许启林.一种双面印刷偶极子天线[C ]ʊ2011年全国微波毫米波会议论文集(上册),2011:534536.[10]刘藤,罗勇.一种提高交叉极化隔离度的16元微带阵列天线[J ].科学计算与信息处理,2010(14):114116.401舰船电子对抗第43卷。
低交叉极化高隔离度的C 波段双极化微带天线的设计
低交叉极化高隔离度的C波段双极化微带天线的设计1孙竹，钟顺时，汤小蓉上海大学通信与信息工程学院，上海(200072)E-mail: kiddodo@摘要：本文介绍了一种混合激励的具有低交叉极化和高端口隔离特性的C波段双极化双层微带贴片单元的设计。
该天线单元的10dB反射损失带宽达840MHz，约15.6%，覆盖了整个C波段的雷达频段（5.1GHz-5.9GHz），天线单元的两个极化的交叉极化电平值在整个频段内均低于-37dB，极化端口隔离度在整个频段内低于-43dB，方向图前后比大于20dB，天线增益稳定在9dB以上。
此外，该天线还具有结构紧凑的优点，易于拓展成大型天线阵列，适合于作相控阵天线、合成口径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)天线的阵列单元。
关键词：微带贴片天线；双极化；高隔离度；SAR天线1. 引言在合成口径雷达系统应用中，数据的后处理算法往往要求雷达天线具有高端口隔离度与低交叉极化的特性，以避免可能产生的成像模糊问题。
从天线技术的角度而言，天线阵的端口隔离度取决于每个单元的端口隔离度，而天线阵的交叉极化特性尚可通过排阵中采用“成对等幅反相馈电”技术[1-3]进行改善。
因此，设计用于成像雷达的天线阵列单元，首要任务是实现高端口隔离度指标，其次是实现低交叉极化电平。
文献[4]中指出，目前的算法一般要求天线的交叉极化电平应当抑制在-30dB以下。
在提高双极化天线单元的端口隔离度及降低交叉极化电平方面，已有不少文章可供参考，文献[5]通过调整口径耦合的两个耦合槽的位置，使之排布成“T”字型，在频带内实现端口隔离度大于36dB。
文献[6]通过改变耦合槽形状，将H形槽的“双臂”略微向内弯曲，在带内实现隔离度34dB以上。
[7]中采用混合馈电的方法，对两个极化端口分别采用口径耦合和电容性耦合方式馈电(capacitive coupled feed)在两个端口都采用平衡馈电，在频带内的隔离度超过了40dB。
改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计
㊀基金项目:国家自然科学基金(61671249)收稿日期:2020-08-24㊀㊀㊀通信作者:葛俊祥作者简介:葛俊祥(1960-),男,江苏南京人,教授,主要从事电磁场理论㊁微波毫米波理论与技术㊁天线理论与技术㊁雷达系统等的研究;方娟娟(1996-),女,河南信阳人,研究生,研究方向为天线理论与技术㊂第39卷㊀第12期2020年12月电子元件与材料ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALSVol .39No .12Dec .2020改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计方娟娟,葛俊祥,汪㊀洁,林㊀海(南京信息工程大学电子与信息工程学院电子信息技术与装备研究院,江苏南京㊀210044)㊀㊀摘要:为了改善阵列天线交叉极化特性,设计并制作了一款中心频率为9.5GHz 的单层平面微带阵列天线㊂该天线由10组偏转ʃ45ʎ的贴片单元组成,通过将贴片对称分布在馈电网络两侧以及在贴片上加载可改变表面电流分布的水平缝隙的方法,以改善阵列天线交叉极化特性㊂为保障-25dB 以下的旁瓣电平,馈电网络采用了泰勒加权分布方式分别给每对贴片单元进行馈电㊂所设计的天线整体尺寸为200mm ˑ70mm ˑ1mm ㊂实测结果表明,该阵列天线的带宽(<-15dB )为260MHz ,增益为16.1dBi ,E 面旁瓣电平为-27dB ,E 面和H 面交叉极化电平分别优于-35dB 和-15dB ㊂该天线具有成本低㊁馈电网络简单㊁交叉极化特性良好的特点,在航海雷达等领域有良好的应用前景㊂关键词:微带阵列天线;交叉极化;馈电网络;泰勒加权;阵元开缝法;X 波段DOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2020.0471中图分类号:TN 82㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:ADesign of planar microstrip array antenna with improvedcross -polarization characteristicsFANG Juanjuan ,GE Junxiang ,WANG Jie ,LIN Hai(Institute of Electronic Information Technology and Equipment,College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing㊀210044,China)㊀㊀Abstract :In order to improve the cross polarization characteristic of array antenna ,a single -layer planar microstrip array antenna operating in X -band was designed and manufactured.The proposed antenna was composed of ten groups of patches with a horizontal deflection of ʃ45ʎ.The cross -polarization characteristics were improved by distributing the patches symmetrically andloading horizontal slots.In order to realize the side -lobe level below -25dB ,Taylor weighted distribution mode was adopted for the feeding network.The total size of the array antenna is 200mm ˑ70mm ˑ1mm.The measurement results show that the bandwidth of the antenna is 260MHz.The gain is 16.1dBi and side lobe level is -27dB.The horizontal and vertical cross polarization are better than -35dB and -15dB ,respectively.Due to low cost ,simple feed network and good cross -polarization characteristics ,this antenna has good application prospect in Marine radar and other fields.Key words :microstrip array antenna ;cross polarization ;feeding network ;Taylor weighted ;slotting array elements ;X -band㊀㊀天线的交叉极化是表征天线性能的重要参量之一,它对于天线增益㊁辐射性能和抗干扰等有着较大的影响[1]㊂因此,在某些应用场合,系统对天线极化纯度具有较高的要求(通常要求达到-30dB 以下)[2],如卫星通讯和船舶导航等㊂近年来,学者们对降低阵列天线交叉极化做了大量的研究[3-10]㊂如文献[3]将辐射片和馈电网络通过嵌入式地板隔离的方法减小馈电网络辐射对天线辐射的影响,以此降低阵列天线交叉极化㊂虽然一些文献研究可以获得-40dB 的超低交叉极化,但是此时的馈电网络第39卷㊀第12期83㊀结构往往非常复杂,需要采用多层微带板结构,加大了阵列天线的设计和制作难度,同时也增加了阵列天线的制造成本㊂文献[6]中的设计在一定程度上简化了差分馈电网络的结构,相位和幅度也更加稳定㊂但是对于阵元数较多的天线,馈电结构仍然较为复杂,该设计并不适用㊂文献[7]中将图像排列的思想运用到天线单元排列中,通过调整独立馈电子阵的排列抑制交叉极化㊂在阵元数较多的情况下,阵列辐射图会产生较高旁瓣,该结构在工程应用中并不实用㊂因此,适用于多阵列的低交叉极化平面阵列天线仍有待进一步研究㊂X 波段雷达具有技术成熟㊁探测精度高㊁尺寸较小等优点,而广泛用于地球探测卫星㊁气象卫星㊁目标跟踪等㊂其中,在航海雷达目标跟踪的应用中,要求天线垂直方向波束宽度在15ʎ~30ʎ,以防止船舶摇摆时丢失目标,同时也减少海杂波对天线垂直方向的电磁干扰㊂为此,本文提出一款可用于航海雷达的X 波段单层平面微带阵列天线,具有馈电结构简单㊁成本低㊁水平面交叉极化特性良好的特点㊂1㊀天线阵列设计1.1㊀天线单元设计选用相对介电常数εr 为4.4,损耗角正切值tan δ为0.02,厚度h 为1mm 的FR 4介质作为基板㊂天线单元采用如图1(a )所示的偏转45ʎ的微带边馈贴片结构,天线的工作中心频率f c 为9.5GHz ,根据公式(1)-(5)计算可以得到贴片宽度W 和长度L 尺寸[11]近似为:W =9.61mm ,L =7.29mm ㊂λ=c f cεe(1)W =c 2f c εr +12æèçöø÷-12(2)L =c 2f cεe-2ΔL(3)εe =εr +12+εr -121+12h W æèçöø÷-12(4)ΔL =0.412hεe +0.3()W /h +0.264()εe +0.258()W /h +0.8()(5)式中:λ为介质中的波长;εe 为微带天线的有效介电常数;ΔL 为等效辐射缝隙的长度㊂利用电磁场仿真软件HFSS (High Frequency Structure Simulator )对天线单元进行全波仿真计算以确定最终尺寸㊂贴片单元组如图1(b )放置,形成2ˑ1元子阵列㊂由于子阵中两个贴片表面电流水平分量同向,垂直分量反向,空间中水平方向辐射叠加的同时,垂直方向辐射抵消,形成水平极化㊂该结构可以有效地改善该子阵列水平面的交叉极化㊂图1㊀矩形平面微带单元Fig .1㊀Rectangular planner microstrip element1.2㊀馈电网络设计馈电网络主要由十个非等分功分器构成㊂其中,四端口非等分功分器如图2所示,Port 1为输入端,Port 2㊁Port 3和Port 4为输出端,输入端和输出端的特性阻抗为Z 0㊂Port 2和Port 4输出功率相等,Port 2和Port 3输出功率比为1ʒk 2㊂当结点电压为V 0时,Port 1输入功率为:P 1=P 2+P 3+P 4=12V 20Z 0(6)各输出端口的输出功率为:方娟娟等:改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计84㊀Vol .39No .12Dec .2020P 2=P 4=12V 20Z 2(7)P 3=k 2P 2=12V 20Z 3(8)式中:Z 2㊁Z 3分别为Port 2和Port 3的输入阻抗,由公式(6)-(8)计算得:Z 2=k 2+2()Z 0(9)Z 3=k 2+2k 2Z 0(10)输入端经过四分之一波长阻抗变换器与各输出端匹配㊂由公式(11)-(12)计算得到各输出端口对应的四分之一波长匹配段阻抗值分别为Z 12㊁Z 13㊁Z 14㊂Z 12=Z 14=Z 0k 2+2(11)Z 13=Z 0k2+2k 2(12)图2㊀四端口非等分功率分配器Fig .2㊀Four -port unequal power divider由于本设计阵列天线采用中心左右对称的馈电结构,因此设计计算只需要计算一半即可㊂为保障水平方向-25dB 以下的旁瓣电平,阵列天线馈电网络采用了泰勒加权分布,这样计算得到的归一化电流分布为:1ʒ0.88ʒ0.67ʒ0.44ʒ0.28㊂另外,依据公式(6)-(12),可以计算获得各支路的特性阻抗(计算结果见表1)㊂经HFSS 仿真优化后,图3所示的馈电网络的回波损耗和各端口传输相位结果如图4所示㊂表1㊀馈电网络的主要参数Tab .1㊀Main parameters of the feeding network端口Port 1Port 2Port 3Port 4Port 5Z0(Ω)5050505050Z n 1(Ω)70687484.5100Z n 2(Ω)104.595.887.581.5图3㊀馈电网络的参数定义Fig .3㊀Configuration and definition of parameters for halfof the feeding network图4㊀馈电网络的仿真结果Fig .4㊀Simulated results of the proposed feeding network1.3㊀2ˑ10单元阵列天线设计以图1(b )所示2ˑ1单元子阵为基础,结合馈电网络设计2ˑ10单元平面微带阵列天线,相邻贴方娟娟等:改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计第39卷㊀第12期85㊀片间距约为一个等效介质波长,以此实现各个天线单元的同相激励,仿真模型如图5(a )所示㊂由图5(b )所示的仿真结果可看出,阵列天线在水平面主波束内交叉极化非常低,可达到-35dB ㊂不过这种空间垂直分量抵消仅在有限角度内实现,垂直面的交叉极化在主瓣之外出现了较高情况㊂当然,这种情况有时也是非常有用的,如双面双极化要求情况等㊂本设计的主要目的是改善阵列天线交叉极化特性,因此接下来将在此基础之上研究改善垂直面交叉极化的方法㊂当馈电网络两侧贴片间距减小时,仿真结果表明垂直面交叉极化有所下降,但是水平面交叉极化会随着贴片距离的减小而恶化㊂因此仅利用如图5(a )所示天线单元对称排列的方法降低交叉极化具有一定局限性㊂图5㊀2ˑ10阵列天线仿真模型及结果Fig .5㊀Simulation model and results of 2ˑ10array antenna2㊀改进型阵列天线设计2.1㊀改进型2ˑ10阵列天线设计天线的极化方向是天线辐射时的电场强度的方向,即辐射单元表面电流的流动方向㊂在本设计中,天线主极化是水平极化,则垂直流向的电流形成的电场就是相应的交叉极化㊂因此降低交叉极化可以通过减少垂直方向的电流来实现[12]㊂如图6所示,在方形贴片中心沿着水平方向开缝,水平方向的缝隙阻断了垂直方向的电流分量,保留了水平方向的电流分量,贴片单元极化方向由45ʎ线极化[13]变为水平极化㊂仿真优化过程中,贴片单元阻抗值对缝隙的长度和宽度的变化不敏感㊂图6㊀改进型平面微带单元Fig .6㊀Improved planner microstrip element改进后的阵列天线仿真模型及结果如图7所示㊂可以看出,开缝后天线水平面和垂直面的交叉极化均比未开缝的天线有明显下降㊂水平面主瓣范围内交叉极化可达-45dB ,垂直面交叉极化电平比图5(b )所示结果减小了25dB ㊂这验证了切割表面电流能影响极化方向[14],可以用来抑制交叉极化㊂同时,改进后的天线增益还增加了3dB ㊂考虑到航海雷达实际应用中海面回波的影响,本设计要求垂直面波束宽度小于30ʎ,2ˑ10单元阵列天线垂直面波束宽度为40ʎ,因此通过增加垂直方向单元数来减小波束宽度㊂2.2㊀改进型4ˑ10阵列天线设计由于天线单元偏转45ʎ造成水平方向结构不对称,若采用两个2ˑ10单元阵列天线由功分器分别对阵列馈电的形式,不仅功分器的设计较为复杂,同时也会增加一定损耗㊂因此,在图7(a )所示阵列天线两侧各串联一片同尺寸贴片单元,组成4ˑ10单元阵列天线㊂改进型4ˑ10单元阵列天线仿真结果如图8所示,可以看出天线交叉极化特性仍保持了改进型2ˑ10单元阵列天线的优势,垂直面波束宽度为25ʎ,满足了设计要求㊂方娟娟等:改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计86㊀Vol .39No .12Dec .2020(a )改进型2ˑ10阵列天线仿真模型(b )辐射方向图图7㊀改进型2ˑ10阵列天线仿真模型及结果Fig .7㊀Simulation model and results of improved2ˑ10array antenna3 天线实测结果与分析为了证明方案有效性,分别加工了原型(无缝)和改进型(有缝)两种天线,并在暗室对两种阵列天线的远场方向图和交叉极化进行了测量,天线实物和测试环境如图9所示㊂天线实测结果如图10和图11所示㊂天线阻抗带宽(<-15dB )分别为200MHz 和260MHz ㊂由于本文选用的天线基板为FR 4板材,其介电常数极不稳定,基板实际介电常数小于仿真所设值,根据公式(1)可知实际介质波长大于仿真值,从而导致实测中心频率向高频处发生偏移㊂由图11结果可看出,原型和改进型天线增益分别为13.5dBi 和16.1dBi ,水平面主极化旁瓣电平均达到-25dB 以下,垂直面波束宽度均为30ʎ以内,实测结果与仿真结果基本一致㊂考虑到图5(a )中馈电网络两侧贴片较大的距离对垂直面交叉极化的影响,适当减小了贴片单元的尺寸,对应的图11(b )中垂直面交叉极化下降了5dB ㊂由于受天线加工工艺和测试环境的限制,实测方向图和仿真结果差距较为明显,原型天线水平面的实测交叉极化电平为-25dB ,改进型天线水平面的实测交叉极化电平为-35dB ㊂对比两种天线的实测结果,改进型天线增益更高,带宽更宽㊂虽然垂直面单元数的增加造成天线垂直面副瓣升高,一定程度恶化了该面的交叉极化,但是通过对比,改进型天线交叉极化电平仍优于原型天线10dB ㊂实测结果表明本设计具有改善阵列天线交叉极化特性的功能㊂(a )改进型4ˑ10阵列天线仿真模型(b )回波损耗(c )辐射方向图图8㊀改进型4ˑ10阵列天线仿真模型及结果Fig .8㊀Simulation model and results of improved4ˑ10array antenna方娟娟等:改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计第39卷㊀第12期87㊀(a )原4ˑ10阵列天线实物㊀(b )改进型4ˑ10阵列天线实物㊀(c )在微波暗室中测试的场景图图9㊀天线实物以及测试场景图Fig .9㊀Physical antennas and test scenediagram图10㊀两种阵列天线的仿真和实测回波损耗对比图Fig .10㊀Simulated and measured results of the proposed arrayantennas图11㊀两种阵列天线的仿真和实测辐射方向图Fig .11㊀Simulated and measured radiation patterns of the proposed array antennas方娟娟等:改善交叉极化特性的平面微带阵列天线设计88㊀Vol .39No .12Dec .2020㊀㊀本文设计的天线主要参数与其他文献中同类型天线对比的结果如表2所示㊂相较于其他文献的方案,本文设计的馈电网络结构更加简单,水平面交叉极化特性良好㊂表2㊀本文设计的天线与同类型天线参数比较Tab .2㊀Comparison of the proposed array antenna with similar previously文献工作频率(GHz )阵元数基板层数基板材料天线增益(dBi )旁瓣电平(dB )交叉极化电平(dB )[3]9.512ˑ122Rogers 588025.7-21-36[6]12.622ˑ22Rogers 5870/Arlon AD 60012.32-17[8]20.516ˑ161Rogers 588029-25-26[10] 3.51ˑ41Rogers 300312.2-29本文9.54ˑ101FR 416.1-27/-12-35/-154 结论本文提出了一款单层平面微带阵列天线设计,将贴片对称分布于馈电网络两侧的结构有效抑制了阵列天线水平方向的交叉极化,达到了-35dB ㊂在此基础之上,通过在贴片中心加载水平缝隙,使阵列天线垂直方向交叉极化电平达到了-15dB ㊂由于天线垂直面旁瓣较高,一定程度恶化了该面的交叉极化,因此阵列天线垂直面的交叉极化抑制有待进一步研究㊂相较于其他文献的方案,本文设计的馈电网络结构更加简单,水平面交叉极化特性良好,单层介质基板的设计也降低了天线的制作成本,为改善阵列天线交叉极化特性提供了一种新的思路,在航海雷达等领域有良好的应用前景㊂参考文献:[1]王进凯.天线交叉极化对雷达抗干扰的影响[J ].中国新通信,2019,21(24):61.[2]秦顺友,许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术[M ].北京:人民邮电出版社,2006.[3]Mardani H ,Nourinia J ,Ghobadi C ,et al.A compactlow -side lobes three -layer array antenna for X -bandapplications [J ].AEU -InternationalJournalofElectronics and Communications ,2019,99:1-7.[4]宋长宏,吴群,张文静,等.一种双扼流槽双极化低旁瓣阵列天线[J ].电波科学学报,2013,28(5):857-861.[5]Saeidi -Manesh H ,Zhang G.High -isolation low cross -polarization ,dual -polarization ,hybrid feed microstrip patch array antenna for MPAR application [J ].IEEE Transactions on Antennas and Propagation ,2018,66(5):2326-2332.[6]Jin H Y ,Chin K S ,Che W Q ,et al.Differential -fedpatch antenna arrays with low cross polarization and wide bandwidths [J ].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters ,2014,13:1069-1072.[7]Saeidi -Manesh H ,Zhang G F.Challenges and limitationsof the cross polarization suppression in dual -polarization antenna arrays using identical subarrays [J ].IEEE Transactions on Antennas and Propagation ,2020,68(4):2853-2866.[8]Guan D F ,Qian Z P ,Zhang Y S ,et al.High -gain SIWcavity -backed array antenna with wideband and low sidelobecharacteristics [J ].IEEEAntennasWirelessPropagation Letters ,2014,14:1774-1777.[9]Kuo F Y ,Hwang R 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2024-印刷偶极子天线设计
在Layout中绘制天线
将设计的层 面改为cond ，重复上面 的设计，完 成对于顶层 cond的设计 ，可以得到 右图：
图中，红色是对应cond层〔顶层〕，黄色对应 cond2〔底层〕，下面在顶层与底层之间加上一个 通孔
在Layout中绘制天线
下面在cond与cond2层之间加 一个通孔〔Via〕，选择层为 ：
同样，点击鼠标右键的 “measure〞，可以测量 相对尺寸，如右图：
在Layout中绘制天线
完成对底层cond2的全部设计，如以下图中
在Layout中绘制天线
选择： Option=>Layers, 将cond2的Shape Display由filled 改为outlined， 这样便于测量尺 寸。可得右图：
在Layout中绘制天线
由于我们设计的 是双面天线，在 一个介质板上贴 有上下两层，上 层为馈线，下层 为偶极子天线和 地板。
首先设计底层， 选择cond2，如图
在Layout中绘制天线
由于我们设计的矩形天 线，所以我们选择 ，然后在窗口中选择一 点，开始画矩形，矩形 大小的控制可以看右下 角的右边的坐标，它表 示相对位置的距离。
加通孔，因为是圆形 的通孔，所以选择 ， 如以下图中：
这样就完成了天线尺寸的根本设计。
层定义
这是至关重要的一步。 由Momentum=>Substrate=>Create/Modify，进入层定义 对话窗口。作如下设置： 将地面GND的边界由Closed改为Open〔1〕，然后点击左 下角的Add，增加一层Alumina_0〔2〕，并且把这一层重 新定义如下所示〔3〕，即跟上面的FreeSpace定义完全 一样，重新命名为FreeSpace_bottom，当然命名为其他 名字也是没有问题的。这样上下形成了对称的结构。最 后定义Alumina中的各个参数，即定义Real为4.6，Loss Tangent为0.018〔4〕，表示损耗正切为0.018。我们需 要的天线的层结构如以下图中所示：
一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计
一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计陈盼曹祥玉张健徐晓飞（空军工程大学电讯工程学院，西安710077）摘要：设计了一种伞形宽带印刷振子阵列天线。
振子单元采用平衡馈电balun结构馈电，使用3D电磁仿真软件(Ansoft HFSS)对天线性能进行了仿真计算。
为改善天线性能，设计了中心馈电双层振子辐射天线单元，并组成8元线阵。
通过优化设计，双层振子单元相对阻抗带宽(2VSWR≤)为38.8%。
交叉极化电平也得到改善，小于-45dB，前后比优于16.4dB。
阵列天线带宽达到39.4%，H面交叉极化电平小于-48dB，增益达到16.2dB。
天线具有良好的电性能和辐射性能，设计思路和方法亦具有很好的可扩展性。
关键词：伞形印刷振子，阵列天线, 宽频带，低交叉极化Designing in A Sort of Wide-Band and Low Cross-Polarization PrintedDipole Array AntennaChen Pan Cao Xiang yu Zhang Jian(The telecommun ication engineering Institute, AFEU, Shann’xi, Xi’an, 710077)Abstract:In this paper, a novel wide-band and high-gain printed antenna is presented. Balanced micro-strip line balun is utilized as feed line, printed dipole is adopted as radiation element .The characteristics of the antenna are calculated by Ansoft HFSS simulation software. In order to improve the parameter, a double dipole antenna is presented, which constitute an 8-elements line array. The result show that the relative impedance bandwidth is about 38.8%(2VSWR≤) for the double deck dipole antenna .Across the entire antenna bandwidth the front-to-back ratio was better than 16.4dB and the cross-polarization level is better than -45dB.The bandwidth of array antenna is up to39.4%，while the cross-polarization of H-plane is less than -48dB. The simulation results also show that the gain of the array is 16.2dB. It represents a well electricity and radiation capability. The method of designing has a good expansibility.Keywords: array antenna; umbrella like printed dipole; wide-band; low cross-polarization0 引言当前，随着通信技术的发展，在移动通信基站、车载台等通信领域中，要求天线实现信号的全方向覆盖，要采用全向天线。
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S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线设计
作者：周占伟， 杨仕文， 聂在平
作者单位：电子科技大学,四川成都,610054
1.期刊论文周占伟.杨仕文.聂在平.ZHOU Zhan-wei.YANG Shi-wen.NIE Zai-ping S波段宽带低交叉极化印刷偶极
子阵列天线的设计-电波科学学报2008,23(2)
设计出一种新型宽带低交叉极化印刷偶极子天线,该天线采用双层平面Balun 偶极子结构,不仅具有平面Balun偶极子的宽频带特性,同时也降低了天线交叉极化电平.使用该天线单元设计制作S波段16元线阵.测试结果表明,阵列天线工作带宽达到50%,交叉极化电平小于-43 dB.实验结果验证了该天线阵的宽带低交叉极化特性.
2.期刊论文陈辉.薛锋章.CHEN Hui.XUE Feng-zhang一种新颖的宽频带双极化印刷偶极子基站天线-重庆邮电大
学学报（自然科学版）2011,23(1)
提出一种新颖的宽频带双极化印刷偶极子基站天线.该天线由梯形支撑结构、集成双倒L型馈电线和偶极子3部分组成,安装于底板上形成低剖面结构.仿真结果显示,1.63～2.8 GHz频段内,电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于1.5,隔离度小于-28 dB,交叉极化比小于-20 dB,最大增益约为11 dBi,具有较为稳定的方向图和增益.该天线适用于GSM 1800,CDMA 1900,IMT-2000,TD-CDMA,WLAN,WiMax等通信标准.
3.期刊论文陈盼.曹祥玉.高军.CHEN Pan.CAO Xiang-yu.GAO Jun一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线-
西安电子科技大学学报（自然科学版）2010,37(5)
为了增加天线带宽及降低交叉极化,采用中心balun馈电双层伞形印刷振子天线结构,设计了一种新型宽带阵列天线.仿真表明,天线单元相对阻抗带宽(驻波比小于等于2)为38 8%,交叉极化电平小于-45dB,前后比优于16 4dB.阵列天线带宽达到39 4%,H面交叉极化电平小于-48dB,增益达到16 2dB.
4.期刊论文王红星.刘锡国.刘敏.WANG Hong-xing.LIU Xi-guo.LIU Min一种新型低剖面、双频、双极化宽频带阵
列天线的研究与设计-微波学报2006,22(6)
设计了一种结构新颖的双频、双极化基站阵列天线并进行了仿真和实验研究.双频阵列由采用新型印刷金属圆弧耦合馈电的圆环天线(低频)与交叉微带印刷振子(高频)嵌套构成.首次采用印刷金属圆弧耦合馈电拓宽了圆环天线带宽,并利用反相馈电技术提高了端口隔离度(＜-28dB)、加强了方位面方向图的对称性、降低了交叉极化电平;对在双频结构中受影响较大的高频阵元进行了相位误差分析;最后给出了整个双频阵列的实测结果,与仿真理论值吻合较好.该阵列天线具有宽频带(806～960MHz、1710～2170MHz)、低剖面(35mm)、高极化隔离、结构紧凑、方位面波瓣恒定(65±6°)等优点,适合用于双频基站系统或星载/舰载通信系统.
5.会议论文侯付平.徐金平Ka波段相控阵天线单元设计及扫描盲角分析2006
本文通过改进传统Vivaldi天线馈源结构,设计了一种Ka波段Vivaldi天线单元,具有结构紧凑、频带较宽、交叉极化小、波束宽的特点.为了研究由该Vivaldi天线单元所组成的相控阵天线的宽角扫描特性,利用有限元仿真软件结合周期性边界条件,给出了一种相控阵天线的扫描盲角分析方法.通过分析印刷偶极子相控阵天线的扫描盲角,并与文献结果相比对,验证了该方法的正确性.应用该方法对Vivaldi相控阵天线的扫描盲角进行了分析,仿真结果表明,本文设计的Vivaldi相控阵天线在E面和H面扫描±60°范围内没有出现扫描盲角,能实现±60°范围宽角扫描.
6.学位论文侯付平有源相控阵天线单元及阵列辐射特性研究2007
有源相控阵雷达已成为当今相控阵雷达发展的一个重要方向。
随着数字与模拟集成电路技术及功率放大器件的快速发展，有源相控阵技术正由雷达向通信、电子战、定位、导航等领域发展，应用越来越广泛。
在设计有源相控阵天线时，对天线单元及阵列的辐射特性进行分析研究是非常有必要的。
本文在有源相控阵天线单元设计、相控阵天线扫描特性分析、计入互耦的天线阵方向图分析及部分单元失效分析等方面进行了以下研究：
1．根据有源相控阵对辐射单元的要求，通过对各种天线类型的仿真分析选定了有源相控阵天线的单元类型，即准八木天线。
对准八木天线在频带宽度、波瓣特性、交叉极化及单元间互耦等方面进行了详细的分析，在此基础上对准八木天线的结构进行了适当改进，改进后的准八木天线有效地减小了H面斜相邻的两单元之间的互耦。
2．利用有限元仿真软件HFSS通过设置周期性边界条件对单个天线单元进行仿真就能得到该单元处于无限阵列环境中的有源反射系数随扫描角的变化规律。
本文采用该方法对印刷偶极子相控阵进行了仿真，并将所得结果与文献中采用矩量法所得结果进行了比对，吻和很好，验证了该方法的正确性。
采用这种方法对准八木天线和改进的准八木天线组成三角形栅格相控阵时的扫描特性进行了分析，发现它们的有效扫描范围较窄。
本文对准八木天线和改进的准八木天线组阵时采取去除部分介质板和接地板的措施有效地拓展了阵列的扫描范围，使扫描范围增大了20°左右。
3. 对单元激励方向图方法进行了适当改进提出了一种近似的单元激励方向图方法，从而克服了单元激励方向图方法不适合于分析单元结构复杂的较大规模阵列的困难。
采用近似的单元激励方向图方法对以偶极子为单元的矩形栅格矩形平面阵、三角形栅格六边形平面阵进行了分析，并与SuperNEc对整个阵列仿真所得结果进行了比较，验证了近似的单元激励方向图方法的准确性。
采用近似的单元激励方向图方法计算了准八木天线六边形平面阵、改进的准八木天线六边形平面阵的方向图。
采用遗传算法对六边形平面阵的激励分布进行了优化，使副瓣电平较低。
采用遗传算法找出了哪些单元失效对六边形有源相控阵的副瓣性能恶化最厉害，并通过比较这些单元失效前后整个阵列的副瓣电平，从而评估部分单元失效对六边形有源相控阵天线副瓣性能的影响程度。
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下载时间：2011年6月8日。