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:T N 823 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)14-0114-03

16-element Microstrip Array Antenna for Enhancing Cross -polarization Isolation

LIU T eng 1,2,L U O Yo ng 1,L I Sha -sha 2,L I Xu -zhe 1

(1.Universi t y o f Electronic Sci ence and T echnolo gy of China,Chengdu 610054,Chi na;

2.China Spacesat Co.L td.,Xi an 710061,China)

Abstract :A hig h cr oss -po lar ization iso lation is so metimes needed in modern communications,especially in satellite com -munications.A new feeder structure is pr oposed to enhance the cro ss -polarization iso lat ion because the ar ray elements and the feed netw or k are at the same side in the tr aditio nal micr ostr ip ar ray antenna,and the structure can cause lo w cro ss -polarization iso lation and co -coupling w hich affects the g ain.It is fo und from t he simulat ion result calculated by H FSS of A nsoft that the cro ss -polarization isolatio n is hig her than 40dB.T his conclusion can pr ovide a g ood r efer ence to t he practical eng ineering.

Keywor ds :microstr ip arr ay antenna;cr oss -po lar ization iso latio n;feed sour ce netw ork;slot line

收稿日期:2010-03-12

0 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H FSS 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 = 1.5m m,天线工作的中心频率为f 0=12.5GH z,采用相对介电常数为 r = 2.2的Rogers RT/duroid 5880介质作为基片,辐射贴片宽度为:

W p =

c 2f 0 r +1

2

-1

2

(1)

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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+10h w p

-1

2

(2)

天线边缘引起的等效长度为:

L =0.412h ( r e

+0.3)(w /h +0.264)( r e -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:

L s =(L/ )ar ccos

Z in /Z L

(6)

而槽长W s 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H FSS 软件对天线尺寸进行优化,得到各个尺寸如图1所示,W p =9.4m m,L p =7.3m m,W s =2.8mm,L s =2.2m m,馈

线长度L f =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H FSS 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

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现代电子技术 2010年第14期总第325期

计算机应用技术