陈振宁 梁仙灵 叶 声 王文智 徐 烨 耿军平 金荣洪

（教育部高速电子系统设计与电磁兼容研究重点实验室，上海交通大学，上海200240）

1.引 言

近年来，随着卫星通信的飞速发展，无论是公安消防，还是抢险救灾，甚或军事领域，应急通信指挥都对车载移动通信系统的机动性和生存能力提出了很高的要求。目前大多数卫星通信地面终端采用传统的抛物面天线，但这种天线不仅体积大、重量沉，而且造价高、加工难度大，尤其是无法适用于对机动性很高的车载移动卫星通信。

微带天线以其低剖面、重量轻、易共形，易于加工以及馈电方式多样化等特点越来越受到关注，已经被广泛应用于卫星通信系统中，而其中微带双极化天线一直以来都是研究与应用最多的一种天线形式[1]。目前常见的微带双极化天线的激励方式主要采用口径耦合馈电[2－5]，即通过在地板上开正交的缝隙来进行馈电。这种馈电的好处是拓展了带宽，降低了交叉极化，而且减少了馈电网络对天线辐射单元的耦合。但缺点是对加工精度要求高，加工工艺复杂，而且口径的存在增加了天线的背向辐射，往往需要在天线的下方增加一块反射板，增加了天线的高度和重量。此外，口径耦合的效率也没有直接馈电高，组阵后难以获得较高增益。

针对低剖面、高增益、适于批量生产等实际应用需求，本文结合共面馈电和探针背馈两种不同的馈电方式设计了一种Ku频段的高增益双极化天线单元。单元采用方形贴片，两个极化的馈电点分别位于方形贴片相邻的两边中点，结构紧凑，而且可以很方便地进行组阵。在此单元的基础上综合利用层叠贴片、反向馈电等技术，组成了工作在14～14.5 GHz频段的96元阵列天线，该阵列天线较好地抑制了交叉极化，同时也得到了较高的口径效率。使用CST软件对天线进行了仿真和优化，最后实际制作并进行了测试，测试结果显示了设计的合理性和可行性。

2.单元设计

图1所示为天线单元结构示意图，从上至下共三层介质板。单元采用双层方形贴片，由激励贴片和寄生贴片组成。其中，激励贴片位于第二块介质板 的上层，边长为λe/2（λe为等效波长），寄生贴片位于第一块介质板的下层，第一、二块介质板之间为空气层。常见的矩形贴片天线因输入阻抗过大而难于进行阻抗匹配，然而引入这种倒置形式的寄生贴片以后，将使天线单元非常易于调谐。此外，第一层介质板还起到了天线罩的作用。

两种极化采用不同方法馈电，如图1（a）所示，水平极化的馈电网络位于第二块介质板的上层，与激励单元共面，垂直极化的馈电网络位于第三块介质板的下层，采用探针背馈，第二、三块介质板之间为共用的地。馈电时，两者分别激励起相互正交的TM10模和TM01模，实现双线极化工作。

图1 天线单元结构图

用CST软件对单元进行仿真，单元接地板的长和宽均设置为0.8λe.通过微调寄生贴片的大小可以获得较大的阻抗带宽，本文的设计中令寄生贴片和激励贴片大小相等即可满足带宽需求。通过调节空气层的高度可以获得较高的增益[6]，在本单元的设计中，没有对空气层高度进行高精度扫描，而是综合考虑增益和剖面高度，选取空气层高度hp为0.1 λe，此时增益并不是最优值，但是相对较高，已经符合设计要求，见表1。结果显示，仿真得到的单元天线增益为7.8～8 dBi.

表1 空气层高度对单元增益的影响

3.阵列设计

为了获得高增益，必须对微带天线进行组阵，而阵列的设计核心在于馈电网络的设计。首先利用上述单元设计了四元阵，如图2所示，两种极化的馈电网络均采用并馈形式。水平极化馈电网络中，左右两个相邻的贴片单元之间采用等幅反向馈电，上下两组贴片之间采用等幅同向馈电；垂直极化馈电网络正好相反，左右相邻贴片之间采用等幅同向馈电，上下两组之间采用等幅反向馈电。反向馈电技术的引入达到了抑制交叉极化的效果。此外，考虑到水平极化网络与激励单元共面会带来不必要的耦合和寄生辐射，所以大部分馈线设计成弯折线，并保证各接头处相对垂直，这种结构降低了直线型网络带来的耦合[7]。用CST仿真时，阵元间距设为0.8λe，增益达到最大化，14.25 GHz处水平极化增益的仿真值为13.7 dBi，垂直极化增益的仿真值为14.1 dBi.反射系数随频率变化的仿真曲线如图3所示，可见仿真的阻抗带宽在15%以上，可以利用该四元阵组成更大的阵列。

利用CST仿真软件在以上四元阵基础上进一步设计了96元的双极化天线阵列，并制作了实物，三层介质板均是Arlon AD系列板材，介电常数为2.55，厚 度 均 为 0.762 mm，空 气 层 的 厚 度 为1.5 mm.天线实物图如图4所示。为了降低馈线插损以及馈线与邻近贴片之间的耦合，两种极化端口的输出口均用同轴线背馈的方式。

为了降低旁瓣，本文对两层馈电网络均进行了幅度加权，使得天线阵电流幅度呈现中间大两边小的分布，加权的比例通过微扰馈电网络中功分节点处的微带线阻抗来控制。如果将整个96元阵列在方位面内等效划分为4个8×3的子阵，那么加权的效果是这4个子阵等效获得的电流幅度比例约为3∶4∶4∶3，当然这只是一个基于阻抗变换原理的估算值，并不十分精确，为此需要根据旁瓣电平抑制的效果对馈电网络不断做出修改。

在上述基础上，针对增益和方向图分别对两层馈电网络进行优化仿真，从而提高阵列的口径效率。

4.测试结果

用Agilent的矢量网络分析仪对该96元阵列的S参数进行了测量，测量结果如图5所示。其中，水平极化端口在13.4～15 GHz频带内回波损耗低于－10 d B，相对阻抗带宽为11.3%；垂直极化端口在13.28～15.24 GHz频带内回波损耗低于－10 dB，相对阻抗带宽为13.7%。从图5中可以看出，实测和仿真的曲线基本吻合，局部频率发生少许偏移可能是由有限的加工精度引起的。

图5 96元阵列天线S参数仿真与实测结果

在户外半开放空间对天线进行了方向图和增益的测试。图6给出了14.25 GHz时两种极化测得的主极化和交叉极化方向图（E面和H面），并与仿真结果进行对比。由图6可见，水平极化E面的旁瓣电平为－11.3 d B，H面的旁瓣电平为－15.5 dB，交叉极化电平低于－30 dB；垂直极化E面的旁瓣电平为－14.7 dB，H面的旁瓣电平为－12.7 dB，交叉极化电平低于－30 dB.其中，水平极化E面存在两个问题：旁瓣电平偏高，表明在对天线阵列水平极化网络进行幅度加权时没有控制好加权比例，有待于在后面的工作中进一步改善；交叉极化电平偏高，主要是由于测量时天线H面的中心难以精确对准发射源，有微小的偏移。除此之外实测和仿真结果吻合的很好。

表2给出了阵列天线的仿真与实测增益，实测增益比仿真增益低0.5～1 d B.由此可见，若考虑天线焊接、SMA接头等带来的误差，实测增益与仿真增益十分相近，说明馈电网络设计的比较合理，馈线损耗较小。

表2 96元天线阵列的仿真和实测增益

5.结 论

本文设计了一种新型的工作于Ku波段的96元双极化微带天线阵列，综合运用了层叠贴片技术、反向馈电技术，在获得高增益的基础上拓展了带宽。实际加工的96元阵列测试结果表明：两个极化的增益均达到26 d Bi，口径效率约为51%，水平极化端口相对阻抗带宽达11.3%，垂直极化端口相对阻抗带宽达13.7%，两端口隔离度高于40 d B.此外，这种微带天线阵列具有体积小、重量轻、结构简单、易于加工等特点，可以很方便地以此96元阵列为模块进行组阵，通过控制各个模块之间的幅相分配，得到更高性能的天线阵列，应用到卫星通信中。

[1] 钟顺时.微带天线理论与应用[M] .西安电子科技大学出版社，1991.

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