一种新型双极化天线的设计

admin

自从20世纪30年代后期出现的相控阵技术被应用于军用雷达系统以来，相控阵天线系统已经显示出它在体积、重量、反应速度、功耗、适用范围等方面的优点，并引起了卫星移动通信、政府应急部门系统等民用方面关注。近年来，由于双极化天线具有同频段的双通道通信、提高通信容量、实现双工操作、可以提高系统灵敏度、抗多径效应等性能，从而日益得到人们的青睐。目前采用的双极化天线可以实现垂直与水平极化、±45°极化和左、右圆极化三种相互正交的极化方式的组合。本文将介绍一种新型的水平极化和垂直极化相结合的双极化天线方式。
                         
                        1  双极化天线的设计

                        目前采用的双极化天线主要采用双层或多层电路来实现，通过不同层的天线阵分别实现不同的极化。本设计采用的相控阵天线可以在同一层面上实现双极化，只要通过调整微带贴片单元的馈电方式就可以实现水平极化和垂直极化两种极化方式，从而实现双极化。采用这种新型的双极化天线可以实现对卫星信号的矢量接收，在移动载体通信系统中显示其独特的优越性。
                         
                        本文采用的双极化天线结构如图1所示，其中（a）为天线结构，它由贴片层、介质层和接地层组成。图（b）为微带贴片单元的基本结构。通过调整微带贴片单元就可以实现水平极化和垂直极化两种极化方式。它位于贴片层上，通过不同的馈电方式可以实现水平极化和垂直极化两种极化方式。
       

               

       

                图1  双极化天线的结构

                         
                        本文根据设计指标及使用要求设计的双极化天线基本单元结构图如图2所示，这种结构可以实现天线某一个方向的线极化。本文采用的双极化天线阵中每个天线单元都只有一个极化方向，只要通过调整每个天线基本单元的馈电方式就可以在同一层上实现双极化。
       

               

       

                图2  双极化天线基本单元结构图

                         
                        2  双极化天线的实现

                        本文采用的天线阵列与传统的单线极化天线相比，可以接收到其无法接收的信号，与单圆极化天线可以提高3dB的增益。与现有的双极化天线相比结构简单、容易实现，可以大大降低相控阵天线的成本。根据以上所介绍的天线原理，我们按照两种极化方式相互交叉排列的方式组成了新型的双极化天线，天线实物如图3所示。
       

               

       

                图3  双极化天线实物图

       

                 

                        3  天线阵列的微波暗室测试结果

                        我们在微波暗室中对所设计的4×4微带天线阵列进行了实际测试。微波暗室的长、宽、高分别为15m、9m和9m，用于测试的发送天线和接收天线的距离为10m，测试天线距离地面的高度为2.5m。图4为天线阵列在12.5GHz时的V面方向图。图5分别为天线阵列在12.5GHz时的H面方向图。
       

               

       

                图4  天线阵列在12.5GHz时的V面方向图

       

               

       

                图5  天线阵列在12.5GHz时的H面方向图

                         
                        从以上两图中我们可以看到，天线方向图关于主瓣最大值基本对称。表1给出了天线阵列在H面的实际测试数据。图6给出了天线阵列的驻波测试图。在12.25～12.75GHz范围内，天线的实测驻波小于2.0。
                         
                        表1  微带天线阵列在H面的实测数据
       

极化	V
频率(GHz)	12.25	12.5	12.75
半功率角(°)	3.9416	3.7895	3.6874
旁瓣(dB)	-12.64	-12.48	-13.03
极化	H
频率(GHz)	12.25	12.25	12.25
半功率角(°)	3.8299	3.8299	3.8299
旁瓣(dB)	-11.21	-11.21	-11.21
电压驻波比	1.85@12.5GHz

       

               

       

                图6  双极化天线的驻波测试图

                         
                        4  结论

                        本文主要介绍了一种双极化天线的新型设计方案及实际测试结果。本设计通过调整最基本的贴片单元的馈电方式来实现天线的双计划设计，实现了复杂问题的简单化处理。最后设计的实物测试数据与仿真结果基本吻合，符合了设计的需求。本设计实现的双极化天线结构简单，重量轻，使用方便，接收效率也比较高。为未来相控阵天线的发展提出了新的尝试方案，对双极化天线的设计将产生一定的影响和推动作用。