高隔离度双极化微带天线的设计

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                1  引言

                         微带天线由于具有体积小，重量轻，低剖面，易于加工以及与有源器件及电路集成等诸多有点，在通信，雷达等方面得到广泛的应用。另外，频谱资源日益紧张现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信容量增加一倍。
                          
                         双极化技术的应用通常要求低交叉极化电平和高隔离度。单层的双端口馈电隔离度一般只能达到-25dB左右[1]，多层馈电虽然结构稍微复杂，但是可以得到很高的隔离度。
                          
                         本文首先对三层介质板单层反射板的微带双极化天线进行了分析，其结果表明方向图的后瓣比较大。然后采用了四层介质板，在最下层的介质板下方加了一块反射地板，得出比较理想的结果，其端口隔离度低于-40dB，后瓣降低了4.85dB。
                          
                        2  微带双极化天线的研究

                        2.1  天线的结构

                         三层介质板微带天线结构如图1所示，其中（a）是立体的侧视图，（b）是俯视图。天线由三层介质板组成，辐射贴片蚀刻在最上层即第一层介质板的顶部。邻近耦合馈电微带线在第二层介质板的上面，第二层介质板和第三层介质板之间放置反射地板，H槽开在这反射地板上面，第三层介质板的下侧为通过H槽耦合馈电的微带线。三层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880(tm)材料，第一，二层厚度为0.381mm,第三层厚度为0.254mm，馈电采用50欧姆微带开路线。
                          
                         不同层馈电可以明显的增加隔离度，可以对H槽的尺寸进行调节，改善输入端口的阻抗特性。
       

               

       

                （a）立体侧视图

       

               

       

                （b）俯视图

       

                图1  天线结构图

                 
                        2.2  天线的仿真分析及优化

                         利用电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真和优化，以此来确定天线的结构尺寸。优化后的结构尺寸如表1所示。仿真得到的两个端口的S参数如图2，3所示，图2表明端口1的-10dB阻抗带宽为1GHz,从16.45GHz至17.45GHz，端口2的-10dB阻抗带宽为850MHz，从16.55至17.40GHz。从图3可以看出，天线表现了高隔离度的特性，其两端口的隔离度在频带范围内低于-40dB，在频点16.5GHz上达到-56dB。
                          
                         图4给出了天线在两个主极化方向x-z面和y-z面的方向图，从图中可以看出，天线具有良好的交叉极化特性，这也是天线馈电端口的高隔离特性决定的。该天线的各指标均良好，完全能满足工程的需要。
                          
                         表1  天线结构尺寸表（单位mm）
       

符号	L	La	W	Wa	Wb
尺寸	5.22	3.41	0.4	1	0.75
符号	Ws	Lb	Ls	H
尺寸	0.2	1.6	1.6	1.8

       

               

       

                图2  天线的反射损耗

       

               

       

                图3  天线两端口的隔离度

       

               

       

                （a）x-z面的方向图

       

               

       

                （b）y-z面的方向图

       

                图4  双极化天线的方向图

       

                 

                        3  降低天线后瓣的研究

                         很多介绍采用H槽耦合方式馈电的双极化微带天线的文献都没有考虑天线后瓣的问题[4]，工程上我们需要前后比要尽量大，由于H槽开在反射地板上，不可避免的产生比较强的后向辐射，因此，我们考虑在最下层再加一层介质板和反射地板，以此来减少后向辐射来降低天线的后瓣，所加介质板厚度为0.254mm。如图5所示，这样，H槽耦合馈电线就成了带状线馈电，其宽度变为0.42mm，根据需要，我们在馈电线上加了一个匹配枝节来达到端口的匹配。枝节的宽度和馈电线一致，主要调节它的长度来达到匹配。
       

               

       

                图5  加反射地板的天线结构

                 
                         图6是原来的天线和在最底层加了一层介质和一块反射地板后的天线增益方向图比较。结果表明，在不影响带宽和隔离度特性的前提下，这种方法降低了天线的后瓣，后向辐射从原来的-6.98dB降低到-11.83dB,降低了4.85dB。
       

               

       

                图6  增益方向图

                        4  结束语

                         本文基于仿真计算设计出了一个工作于16.6GHz-17.4GHz的双极化微带天线单元。采用不同层馈电的方式来提高天线的隔离度。最后采用双层反射地板的方法增加了天线的前后比。