張福恒 楊國(guó)敏 金亞秋

(復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)

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新型強(qiáng)耦合寬帶雙圓極化陣列天線

張福恒 楊國(guó)敏 金亞秋

(復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)

空間飛行器由于受到動(dòng)力和負(fù)載的限制,需要盡可能使搭載的天線輕質(zhì)小型化.文中提出了一種新型強(qiáng)耦合雙圓極化輕質(zhì)天線.天線單元采用H型縫隙耦合和增加寄生貼片方法,提高了天線帶寬. 同時(shí),通過在輻射貼片、寄生貼片上開圓形槽,以及金屬反射板柵格化的處理,明顯地減輕了天線的質(zhì)量.采用這種新型天線單元,設(shè)計(jì)了8單元的寬帶雙圓極化陣列天線.仿真結(jié)果表明:該陣列天線的中心頻率為433 MHz,左旋和右旋圓極化的相對(duì)軸比(Axial Ratio,AR)帶寬(AR<3 dB)分別達(dá)到了24.4%和23.2%,有效實(shí)現(xiàn)了小型輕質(zhì)化寬頻帶雙圓極化陣列天線.

寬帶陣列天線;雙圓極化;強(qiáng)耦合;柔性可展開天線

引 言

隨著對(duì)空間通信質(zhì)量的不斷提高,空間天線技術(shù)已成為新型空間通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一.采用圓極化天線的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:1) 圓極化天線可以接收任意極化的來波,且輻射波也可以被任意極化天線接收;2) 圓極化天線具有旋向正交性;3) 極化電磁波入射到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)旋轉(zhuǎn)逆向,不同旋向的電磁波具有很好的極化隔離.因此圓極化天線得到了越來越多的應(yīng)用[1].然而傳統(tǒng)的圓極化微帶天線在阻抗帶寬、軸比帶寬、極化純度、天線重量方面都有局限性.文獻(xiàn)[2-3]都是采用單饋法實(shí)現(xiàn)圓極化,前者將方形微帶天線切角,后者在圓形貼片上開十字型槽,但兩種方法的阻抗帶寬和軸比帶寬都非常窄.文獻(xiàn)[4-5]分別采用四層介質(zhì)耦合饋電結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了工作頻段為2～4 GHz的單饋及多饋圓極化微帶天線單元及陣列,阻抗帶寬和軸比得到顯著提高,但這種結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量過重且無法實(shí)現(xiàn)雙圓極化.文獻(xiàn)[6]利用3 dB電橋給普通的縫隙耦合饋電,相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到32.3%,但沒有考慮到減小背向輻射的問題.文獻(xiàn)[7]采用了雙層貼片加“H”型縫隙的方法提高帶寬,實(shí)現(xiàn)雙極化,然而介質(zhì)厚度1.6 mm,組成陣列后質(zhì)量過重仍無法滿足衛(wèi)星通信需求.文獻(xiàn)[8]利用Wilkinson功分移相器和探針給貼片饋電,測(cè)試的圓極化帶寬達(dá)到23.8%,這種結(jié)構(gòu)無法滿足可折疊的需求.文獻(xiàn)[9]利用Wilkinson功分器給“H”型縫隙耦合饋電的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了寬帶圓極化天線,但該設(shè)計(jì)僅能實(shí)現(xiàn)單一圓極化方式,且沒有減小天線的背向輻射.

針對(duì)上述問題,本文利用柔性薄膜材料設(shè)計(jì)了一種新型強(qiáng)耦合寬帶雙圓極化天線,并利用仿真軟件HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行了仿真分析,經(jīng)過優(yōu)化得到了理想的天線幾何尺寸,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了8單元的陣列天線.與傳統(tǒng)的圓極化陣列天線相比這種結(jié)構(gòu)的圓極化微帶陣列天線具有寬帶、輕質(zhì)、高隔離度、柔性可展開、圓極化性能好等優(yōu)點(diǎn),可以滿足現(xiàn)代通信、相控陣?yán)走_(dá)、星載SAR系統(tǒng)等需求.

1 天線單元的設(shè)計(jì)

1.1 天線參數(shù)計(jì)算

天線單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示,從上到下依次為寄生貼片層、輻射貼片層、地層、饋線層和反射層.寄生貼片通過與輻射貼片耦合獲得激勵(lì),兩層貼片諧振頻率相近,拓寬了天線帶寬.貼片層上開了圓形孔增強(qiáng)了輻射貼片與寄生貼片間的耦合.各相鄰層間均為空氣介質(zhì),減小了天線的相對(duì)介電常數(shù),降低了微帶天線諧振空腔的Q值,進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬.將天線單元和3 dB電橋級(jí)聯(lián)可組成天線陣列,3 dB電橋的不同端口饋電可分別實(shí)現(xiàn)左旋/右旋圓極化.

寄生貼片層、輻射貼片層的介質(zhì)采用聚酰亞胺薄膜,介電常數(shù)3.4,損耗正切0.025,介質(zhì)厚度0.1 mm.設(shè)計(jì)天線的中心頻率0.433 GHz,由經(jīng)驗(yàn)公式確定輻射貼片的初始尺寸[10]:

(1)

式中:εr為介質(zhì)介電常數(shù),寄生貼片尺寸略小于輻射貼片.饋線層的介質(zhì)采用蜂窩狀紙質(zhì)板,介電常數(shù)1.45,介質(zhì)厚度2.2 mm.饋線層上表面為刻蝕兩個(gè)相互垂直的“H”型縫隙地板,縫隙的長(zhǎng)度和約為諧振頻率的半波長(zhǎng).

(a) 單元俯視圖

(b) 單元立體圖圖1 天線單元結(jié)構(gòu)圖

1.2 天線參數(shù)分析

在天線設(shè)計(jì)過程中,如果知道了天線尺寸參數(shù)的變化對(duì)天線性能的影響規(guī)律,就可以快速有效地完成天線的設(shè)計(jì).對(duì)La、Hstub、R參數(shù)進(jìn)行仿真研究.初始值取La=220 mm,Hstub=45 mm,R=30 mm.保持其他參數(shù)和指標(biāo)要求不變,改變某個(gè)參數(shù),計(jì)算輸入阻抗相對(duì)其變化曲線,匹配的目標(biāo)是滿足輸入電阻在所需頻帶內(nèi)盡量平坦并接近50 Ω,輸入電抗在最大范圍內(nèi)接近于零.

圖2是輸入阻抗隨寄生貼片邊長(zhǎng)的變化曲線.由圖所示曲線可知,La長(zhǎng)度的變化對(duì)整個(gè)頻段內(nèi)的輸入阻抗有顯著的影響.隨著La從210 mm逐漸增大到230 mm,第一個(gè)諧振頻點(diǎn)的輸入電阻減小但諧振頻率沒有變化,第二個(gè)諧振頻點(diǎn)的輸入電阻增加且諧振頻率向低頻偏移,阻抗實(shí)部整體更加平坦.隨著La的增加,第一諧振頻點(diǎn)的輸入電抗值略有減小,第二諧振點(diǎn)的電抗值向低頻偏移,電抗值整體的起伏減小.

近年來各行業(yè)都不同程度地受到大數(shù)據(jù)的影響，其中大數(shù)據(jù)會(huì)計(jì)行業(yè)的財(cái)務(wù)工作影響頗深，使其迎來巨大的變革。財(cái)務(wù)工作的數(shù)字化為會(huì)計(jì)人員帶來便利的同時(shí)又給企業(yè)帶來了確保企業(yè)信息、資產(chǎn)安全等困擾，不同程度上增加了會(huì)計(jì)職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 實(shí)部

(b) 虛部圖2 輸入阻抗隨La的變化曲線

圖3是H端口的輸入阻抗隨該端口饋線枝節(jié)長(zhǎng)度Hstub的變化曲線.由圖可見Hstub的長(zhǎng)度變化對(duì)第一諧振點(diǎn)的輸入電阻有顯著的影響Hstub值越大,第一諧振點(diǎn)電阻值越大.同時(shí)輸入電抗整體隨Hstub的增大而減小.

圖4是輸入阻抗隨貼片上的圓孔半徑R的變化曲線.由圖可知在R從20 mm增加到30 mm的過程中,第一諧振點(diǎn)的輸入阻抗略有降低,第二諧振點(diǎn)的輸入阻抗大小基本沒有變化,但諧振頻率向低頻偏移.

(a) 實(shí)部

(b) 虛部圖3 輸入阻抗隨Hstub的變化曲線

(a) 實(shí)部

(b) 虛部圖4 輸入阻抗隨R的變化曲線

1.3 天線原理分析

對(duì)于這種縫隙耦合天線應(yīng)用傳輸線模型理論[11]分析,縫隙天線簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,等效電路模型如圖5(b)所示.地層上的縫隙只截獲貼片上電流一部分,N1為部分電流和總電流之比,ΔV為微帶線上有縫隙引入的模電壓變化量,V0為縫隙電壓.

(a) 天線簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

(b) 等效電路模型圖5 縫隙天線簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)及等效電路

縫隙引入的電納為:

(2)

計(jì)入饋線枝節(jié),得到總的輸入電抗:

(3)

綜合上述參量掃描結(jié)果和理論分析,可以得到如下結(jié)論:貼片的尺寸對(duì)諧振頻率有顯著影響,尺寸越大諧振頻率越低,饋線枝節(jié)的長(zhǎng)度Hstub、Vstub對(duì)阻抗匹配影響較大.在兩層貼片上挖圓孔會(huì)改變貼片表面電流分布,故圓孔半徑不宜過大.經(jīng)過優(yōu)化后天線單元具體參數(shù)為L(zhǎng)a=220 mm, Hstub=48 mm,R=25 mm.

能量通過兩個(gè)正交的“H”型縫隙耦合到方形銅貼片,激勵(lì)起空間幅度相等、相位相差90°的TM01模和TM10模,從而產(chǎn)生圓極化電磁波.兩層貼片開圓形槽的處理降低了天線的質(zhì)量,同時(shí)增強(qiáng)了它們之間的耦合.柵格化后的銅薄膜反射板置于天線下方,減小天線的背向輻射,進(jìn)一步降低天線整體質(zhì)量.

1.4 仿真結(jié)果及分析

仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線單元兩極化端口的回波損耗如圖6所示,由圖中可見,天線單元水平端口在390～475 MHz 頻率范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB,相對(duì)阻抗帶寬19.6%.垂直端口在385 ～490 MHz頻率范圍內(nèi)S11小于-10 dB,相對(duì)阻抗帶寬24.2%.

設(shè)置兩個(gè)端口同時(shí)有激勵(lì)信號(hào)且相位差恒定為90°,仿真該新型天線單元的圓極化軸比帶寬,仿真結(jié)果如圖7所示.由圖可知該天線單元在理想的激勵(lì)條件下,左旋/右旋圓極化相對(duì)軸比帶寬都超過40%(AR<3),圓極化性能良好.

圖7 天線單元軸比帶寬

在中心433 MHz頻率處,天線左旋圓極化和右旋圓極化的輻射方向圖如圖8所示,兩種極化的方向圖形狀相似,天線單元增益約為9 dB,前后比為22dB.由此可見,該新型強(qiáng)耦合寬帶天線單元具有高隔離度、高增益、寬頻帶、低重量等諸多優(yōu)良性能.

(a) 左旋圓極化

(b) 右旋圓極化圖8 天線單元輻射方向圖

2 天線陣列設(shè)計(jì)

在利用上述的天線單元設(shè)計(jì)了8單元的天線陣列,結(jié)構(gòu)如圖9所示.信號(hào)經(jīng)3 dB電橋等分成兩路,并產(chǎn)生90°相位差,幅度相等的兩路信號(hào)再經(jīng)過一對(duì)一分為八的T型功分器等幅激勵(lì)8個(gè)輻射貼片單元.陣列天線整體尺寸2.4 m×3.6 m×0.16 m.

圖10和圖11給出了該新型強(qiáng)耦合寬帶圓極化陣列天線的仿真結(jié)果,可以看到該新型陣列天線,左旋圓極化和右旋圓極化的相對(duì)軸比帶寬分別達(dá)到了24.4%和23.2%(AR<3 dB).由圖可知,在整個(gè)阻抗帶寬范圍內(nèi),天線增益均大于15 dB,在510 MHz頻率時(shí)最大增益為17 dB,增益隨頻率變化平穩(wěn).

圖9 陣列天線結(jié)構(gòu)

圖10 陣列天線的軸比帶寬

圖11 陣列天線的增益

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用口徑耦合理論和多層貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種P波段的新型強(qiáng)耦合寬帶雙圓極化天線單元,并利用該單元設(shè)計(jì)了8單元的線陣.由于采用了“H”型縫隙耦合和附加寄生貼片結(jié)構(gòu)形式大大增加了阻抗帶寬和軸比帶寬,并結(jié)合3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)了雙圓極化.仿真結(jié)果表明,左旋圓極化和右旋圓極化的相對(duì)軸比帶寬分別達(dá)到了24.4%和23.2%(AR<3 dB).天線各層均采用柔性薄膜材料,相鄰層間為空氣介質(zhì),同時(shí)寄生貼片、輻射貼片經(jīng)過開圓形槽處理,不僅增強(qiáng)了輻射貼片層和寄生貼片層間的耦合,而且大大減輕了陣列天線的整體質(zhì)量.金屬反射板經(jīng)過柵格化處理同樣起到了降低天線質(zhì)量的效果.天線陣列具有寬帶、雙圓極化、整體柔性、可收攏展開 、重量輕等特點(diǎn).

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張福恒 (1990-),男,安徽人,復(fù)旦大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)博士研究生, 主要研究方向?yàn)槿斯ご艑?dǎo)體、可重構(gòu)天線和微帶陣列天線.

楊國(guó)敏 (1979-),男,浙江人，復(fù)旦大學(xué)通信系副教授,博士,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)、陣列天線設(shè)計(jì)、微波器件的小型化設(shè)計(jì)和超寬帶微波器件設(shè)計(jì)等.

金亞秋 (1946-),男,上海人，美國(guó)MIT博士、中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、IEEE會(huì)士、復(fù)旦大學(xué)特聘教授、電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家973項(xiàng)目首席科學(xué)家,研究方向?yàn)殡姶挪ㄉ⑸渑c傳輸、空間遙感信息理論、計(jì)算電磁學(xué)等.

A novel broadband dual circular polarization antenna array

ZHANG Fuheng YANG Guomin JIN Yaqiu

(Key Laboratory for Information Science of Electromagnetic Waves,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Due to the limited power and loading for the spacecraft, it is necessary for the antenna on the spacecraft to be designed with small size and light weight. A novel broadband dual-polarized antenna is presented in this paper. The bandwidth of designed antenna is increased by using two orthogonal H-shaped slot and adding the parasitic patch. Meanwhile, circular slots are etched both in the radiation patch and the parasitic patch, and the metal reflection rasterizing are introduced to reduce the total weight of the antenna. An eight elements broadband circularly polarized antenna array based on this novel element is designed. The simulation results show that the central frequency is about 433 MHz and the relative bandwidth for the left hand circular polarization and right hand circular polarization are 24.4% and 23.2%, respectively. The designed antenna array has the characteristics of small size, light weight, wide bandwidth and dual polarization.

broadband antenna; dual CP antenna; tight coupling; flexible antenna

10.13443/j.cjors.2015070501

2015-07-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(61571130)

TN82

A

1005-0388(2016)03-0426-06

張福恒, 楊國(guó)敏, 金亞秋. 新型強(qiáng)耦合寬帶雙圓極化陣列天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(3):426-431.

ZHANG F H, YANG G M, JIN Y Q. A novel broadband dual circular polarization antenna array[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):426-431. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015070501

聯(lián)系人： 楊國(guó)敏E-mail：guominyang@fudan.edu.cn