一种Ku/K波段宽带圆极化阵列天线的设计

蒋光明，杨晓庆，周 健

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

0 引言

相控阵天线具有扫描波束可调、跟踪精度高等优点，在雷达和通信领域具有重要的应用价值。与线极化天线相比，圆极化天线具有更好的抗多径失真和极化失配性能，因此广泛应用于无线通信系统中。随着现代电子系统的发展，对圆极化相控阵天线提出了更高的要求，如宽带宽角扫描、宽轴比波段、低剖面等。

交叉偶极子天线由于其优越的圆极化特性，近年来得到了广泛的研究。这类天线不需要复杂的馈电网络就可以产生圆极化辐射。近年来，在宽带圆极化天线需求的驱动下，提出了几种提高阻抗和轴比带宽的交叉偶极子技术。一种典型的设计方法为将偶极子形状变为矩形偶极子、蝴蝶结偶极子和椭圆偶极子，带宽分别增加到27%、43.5%和96.6%。另一个重要的方法是使用寄生元件。文献［4］中，在交叉偶极子的两个臂之间引入了一个简单的寄生元件，以产生额外的谐振，从而将轴比带宽扩大到约58.6%。到目前为止，交叉偶极子天线在Ku/K波段还没有应用，它们主要在10 GHz以下工作。

本文首先设计了具有宽频带特性的交叉偶极子单元，单元利用双枝节和加载寄生贴片设计拓宽了阻抗带宽，通过实验验证，单元实验结果与仿真特性基本吻合。阵列采用小角度顺序旋转布阵技术降低了轴比。最后设计的8×8阵列进行仿真分析，具有良好的宽带和宽角扫描特性。

1 天线单元设计

天线单元的结构如图1所示，单元包含交叉偶极子、四个寄生元件、金属化通孔和等效的馈电结构。交叉偶极子印制在罗杰斯RO4350基板的两侧，基板的相对介电常数为3.66，损耗正切为0.004，厚度为0.254 mm。每个偶极臂由两个不同长度的分支组成，其中较长的分支设计在22.5 GHz的频率下左右工作，较短的分支的引入是为了增加谐振点以提升带宽。为了产生圆极化辐射，正交的偶极子由一个长度约为/4（中心频率为22.5 GHz）的金属环连接，可实现90°相位延迟。四个扇形寄生贴片位于四个偶极子臂之间，以提高阻抗带宽。在K波段，单元天线的边长约为7 mm×7 mm，传统的金属背腔和具有交叉偶极子的同轴线在工程上难以组装。使用具有金属化过孔的介质基板可替代金属腔，这样的设计使得剖面高度降低，同时便于组装和加工。围绕中心通孔的五个金属化通孔取代了同轴线。金属化过孔位于交叉偶极子周围，如图1（b）所示，代替了传统的金属腔，在增强辐射的同时能够抑制阵列中单元之间的耦合。天线单元的参数如表1所示。

图1 天线单元结构

表1 天线单元结构参数/mm

为了深入了解天线的工作方式，利用HFSS仿真软件分析偶极子长短枝节长度（W和W）和枝节间的间距（）对于天线性能的影响。图2显示了不同参数对于天线阻抗带宽的影响。图2（a）说明了分支长度对阻抗带宽的影响。长度的变化主要影响阻抗带宽的下半频带，因为下半频带主要是由偶极子两个枝节间的共振产生的。分支长度的变化对低频段有很大的影响。为了获得更好的阻抗带宽性能，W和W分别设计为2.25 mm和2.6 mm。从图2（b）可以观察到，枝节间隙的s也会影响下频带的共振频率。随着间隙的减小，低频段的谐振频率增加，而22.5 GHz的谐振频率几乎不变。图中连续的曲线即为实际采用的天线结构参数，可以看出天线单元在15.5 GHz～23.5GHz的频段内均小于-10 dB。

图2 不同参数下天线的阻抗带宽

图3展示了天线单元的加工实物及和轴比的测试结果。从结果可以看出，天线单元的参数在低频附近较为吻合，在22 GHz附近谐振点有一定的偏差，可能是加工精度和误差的影响。天线最大辐射方向的轴比性能如图3（c）所示。可以看出，天线的轴比在高频22 GHz附近表现较好，到低频时，轴比逐渐增大，这是由于交叉偶极子中心环的长度设置为高频处的四分之一波长所致。阵列的轴比特性可以通过采用小角度顺序旋转布阵技术改善，实现轴比小于3 dB的特性。

图3 天线单元的加工实物及S11和轴比的测试结果

2 六十四元天线相控阵设计

应用了小角度顺序旋转布阵技术的天线阵列示意图和天线实物如图4所示。相邻的天线单元共用金属化过孔，两个相邻单元之间的间距为7 mm，约为22.5 GHz时波长的一半。

图4 应用小角度旋转布阵

理论上，椭圆极化波能被分解为右旋圆极化波和左旋圆极化波。椭圆极化波的复矢量可以表示为：

其中，

图5显示了不同扫描角度下相控阵的峰值增益和轴比特性。从图5可以看出，随着频率的增加，阵列的增益也随之增加，扫描角theta=0°时，阵列的平均增益为21.3 dBi；扫描到±60°时，阵列的增益基本大于15 dBi。由于采用了小角度顺序旋转技术，64元的阵列在轴比特性上表现良好，从15.5 GHz到23.5 GHz，扫描角度±60°，在phi=0°和phi=90°平面内，阵列的轴比基本均小于3 dB。

图5 相控阵天线的轴比（AxialRatio）和右旋极化增益（Realized RHCP Gain），扫描角度theta（-60°到60°）

3 结语

本文设计了一种易于集成的低剖面宽带圆极化交叉偶极子天线阵列。引入了两个弯曲分支和四个寄生贴片来拓宽阻抗带宽。用介质基板代替空气层，使天线阵的剖面高度变低，易于加工和组装。仿真结果表明，该天线具有41%（15.5 GHz～23.5 GHz）的阻抗宽带，阵列在phi=0°和phi=90°时可以实现从-60°到60°扫描特性，轴比小于3 dB，增益大于15 dBi。宽阻抗带宽、大角度扫描和低剖面使该天线阵列在卫星通信的应用中具有优势。