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摘 要: 利用口徑耦合饋電、錯位倒相饋網(wǎng)技術和單層微帶貼片結構設計出一種用于衛(wèi)星通信的Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶四元天線陣。用電磁仿真軟件CST2008對天線陣的電特性進行了仿真和優(yōu)化。四元天線陣實測結果表明：水平極化端口在11.21 GHz～13.47 GHz頻率范圍內VSWR≤1.5，相對阻抗帶寬為18.3%；垂直極化端口在13.43 GHz～14.88 GHz頻率范圍內VSWR≤1.5，相對阻抗帶寬為10.24%。工作頻帶內兩端口隔離度<-35 dB，最大增益為13.2 dB，與仿真結果一致。
現(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線提出了更高的要求，不僅要求天線小型化、重量輕、具有良好的隱蔽性和機動性，同時為滿足收發(fā)一體化和大容量通信的需求，還要求天線具有雙頻、雙極化及寬帶特性。微帶天線具有體積小、重量輕、平面結構、能與載體共形、饋電方式和極化形式多樣化等諸多優(yōu)點[1]，倍受人們青睞。但微帶天線在帶寬、雙頻和雙極化等方面的性能都難以適應現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求。目前，國內外進行了展寬微帶天線的工作帶寬、實現(xiàn)雙頻、雙極化工作的一系列研究并取得了一些成果[2-4]。研究中多采用多層貼片結構，有效地增加了工作帶寬，但結構復雜且匹配困難，同時也增加了天線成本和調試難度，限制了它在衛(wèi)星通信領域的應用潛力。為了滿足現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求，綜合運用了口徑耦合饋電、單層貼片結構和引入空氣層等方式設計出一種工作在Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線單元，并在此單元的基礎上，在饋電網(wǎng)絡部分運用了錯位倒相技術設計出了2×2元微帶天線陣。用電磁仿真軟件CST2008對該天線陣進行了仿真優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結果制作了天線陣實物。文中給出了實測和仿真結果，兩者吻合較好。
1 天線單元的設計
設計的天線單元結構如圖1所示，圖1(a)為天線單元的側視圖，圖1(b)為天線單元的俯視圖。天線的主體由三層介質板組成。方形輻射貼片倒置于第一層介質板的下面，這樣布置可使介質板起到天線罩的作用。第二層介質板上面是開縫接地板，刻有一對H型縫隙成軸對稱結構。為了實現(xiàn)良好的交叉極化和隔離度特性，2個H型縫隙呈T字型放置。兩層介質板之間由空氣層隔開，引入空氣層以降低微帶天線 Q值，從而達到增加帶寬的目的。第三層介質板把實現(xiàn)雙極化的兩套饋電網(wǎng)絡隔開，有利于網(wǎng)絡布線和提高隔離度。饋線由兩個相互正交的50 Ω微帶線組成，微帶饋線均采用中心正饋的方式，以增強輻射貼片與饋線之間的耦合。為了減少H型縫隙所引起的背向輻射，在離接地板四分之一波長處加了一塊金屬反射板，這也有利于提高天線的增益。輻射單元采用εr1=2.2，h1=1 mm的聚四氟乙烯板，饋電介質板采用εr2=εr3=3.38，h2=h3=0.305 mm的陶瓷碳氫混合物板。
根據(jù)口徑耦合微帶天線的傳輸線模型理論，初步確定天線的幾何尺寸（包括貼片尺寸、縫隙尺寸、饋線開路枝節(jié)的長度）。天線單元的等效電路如圖2所示。
a為天線單元長度，x0為縫隙的位置。
諧振頻率主要由n12Ypatch+Ya p決定。通過調節(jié)開路終端微帶饋線的長度和H型縫隙的尺寸、位置以及輻射貼片的大小來改善天線的阻抗匹配特性，以形成雙頻諧振點和提高端口的頻帶寬度。完成初步設計后，得到滿足電性能指標的結構參數(shù)，最后用電磁仿真軟件對天線的結構參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后天線單元各參數(shù)如表1所示。
2 天線陣列的設計
2×2元微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡分布如圖3所示。饋電網(wǎng)絡采用并饋形式，由多個 T 形功分器連接，其中采用多節(jié)阻抗變換器進行阻抗匹配以便展寬頻帶。設計中充分考慮了饋電網(wǎng)絡中不必要的輻射和損耗對天線增益帶來的影響。為了抑制交叉極化，饋電網(wǎng)絡設計中應用了錯位倒相技術。對于水平方向的相鄰貼片，水平極化端口間采用等幅反相饋電，垂直極化端口間則采用等幅同相饋電；對于垂直方向的相鄰貼片，水平極化端口間采用等幅同相饋電，而垂直極化端口間采用等幅反相饋電。這種饋電方式使得激勵的主極化輻射同向疊加，交叉極化輻射反向抵消，同時也改善了2個極化端口的隔離度。天線陣陣元間距為17 mm（約0.7λ1，中心頻率為12.3 GHz；約0.8λ2，中心頻率為14.2 GHz）。
