交叉極化隔離度對(duì)微帶陣列天線的影響

交叉極化隔離度對(duì)微帶陣列天線的影響

0饋源網(wǎng)絡(luò)的隔離微帶排列天線體積小，重量輕，制作簡(jiǎn)單，安裝方便，易于連接源設(shè)備，外觀美觀，受環(huán)境影響小，因此越來(lái)越受到重視。目前,微帶陣列天線已經(jīng)成功地用于機(jī)載雷達(dá),衛(wèi)星通信,移動(dòng)通信和衛(wèi)星電視等系統(tǒng)中。關(guān)于微帶陣列天線的饋電問(wèn)題,前人已做了大量的工作。一般都是輻射片與微帶線饋源網(wǎng)絡(luò)處于同一側(cè),如文獻(xiàn)所述。這種方式由于饋源網(wǎng)絡(luò)本身會(huì)產(chǎn)生一定的輻射,所以總的輻射場(chǎng)就是各輻射單元的輻射場(chǎng)與饋源網(wǎng)絡(luò)輻射場(chǎng)的疊加。由于饋源網(wǎng)絡(luò)布線并不一定規(guī)則,這無(wú)疑會(huì)影響天線整體的交叉極化隔離度性能;同時(shí),由于微帶線與輻射貼片存在有互耦,這樣還會(huì)進(jìn)一步使天線交叉極化隔離度性能降低,影響主瓣增益。在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合(如衛(wèi)星通信),要求天線的交叉極化隔離度性能是比較高的(30dB以上),對(duì)于一般陣元數(shù)目比較少的天線陣,還能夠滿足要求,但是對(duì)于大型或者超大型陣列,以上的饋電方式就很難滿足要求了。關(guān)于抑制交叉極化隔離度的饋電方式,前人也做了大量的工作,如文獻(xiàn)所述,文章中提到將輻射單元與饋源網(wǎng)絡(luò)隔離的方式,能有效提高交叉極化隔離度;類似的做法再如文獻(xiàn)所述;而文獻(xiàn)提出一種用開(kāi)槽線耦合饋電的方式將能量耦合給輻射單元,亦取得了良好地效果。本文在總結(jié)了前面優(yōu)秀工作的基礎(chǔ)上,提出一種全新的饋電結(jié)構(gòu):天線輻射單元與饋源網(wǎng)絡(luò)分別處于接地板兩側(cè),通過(guò)接地板的開(kāi)槽線把饋源網(wǎng)絡(luò)上的能量耦合到輻射單元上,通過(guò)HFSS軟件仿真,得到了比較好的結(jié)果,說(shuō)明此種饋電方式確有比較好的提高交叉極化隔離度的作用,并為進(jìn)一步組建大型或超大型陣列做出指導(dǎo)。1天線的槽深設(shè)計(jì)輻射單元采用嵌入式微帶邊饋貼片(如圖1所示),這樣可以很容易地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。對(duì)于介質(zhì)基片厚度為h=1.5mm,天線工作的中心頻率為f0=12.5GHz,采用相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.2的RogersRT/duroid5880介質(zhì)作為基片,輻射貼片寬度為:Wp=c2f0(εr+12)?12(1)Wp=c2f0(εr+12)-12(1)式中:c為真空中的光速。確定了寬度,就可以計(jì)算其相對(duì)介電常數(shù)為:εre=εr+12+εr?12(1+10hwp)?12(2)εre=εr+12+εr-12(1+10hwp)-12(2)天線邊緣引起的等效長(zhǎng)度為:ΔL=0.412h(εre+0.3)(w/h+0.264)(εre?0.258)(w/h+0.8)(3)ΔL=0.412h(εre+0.3)(w/h+0.264)(εre-0.258)(w/h+0.8)(3)所以矩形微帶片的實(shí)際長(zhǎng)度一般采用下面的結(jié)果:L=λe/2?2ΔL(4)L=λe/2-2ΔL(4)式中:λe=λ0/εre??√(5)λe=λ0/εre(5)式(5)中:λ0為真空中波長(zhǎng)。為了使天線與饋線匹配,要給天線饋源口開(kāi)槽,槽深的設(shè)計(jì)公式是:Ls=(L/π)arccosZin/ZL??????√(6)Ls=(L/π)arccosΖin/ΖL(6)而槽長(zhǎng)Ws對(duì)天線輸入阻抗的影響不是很大,只要大于饋線一定尺寸即可。用HFSS軟件對(duì)天線尺寸進(jìn)行優(yōu)化,得到各個(gè)尺寸如圖1所示,Wp=9.4mm,Lp=7.3mm,Ws=2.8mm,Ls=2.2mm,饋線長(zhǎng)度Lf=8.25mm,輸入阻抗Z=50Ω。22e面-h面的交叉極化關(guān)于此類2×2微帶陣列天線提高交叉極化隔離度的原理,文獻(xiàn)已經(jīng)做過(guò)詳細(xì)的描述,這里不再過(guò)多討論,只給出相應(yīng)結(jié)論。它是先將饋線上的能量耦合到開(kāi)槽線上,在開(kāi)槽線上經(jīng)過(guò)一段距離傳輸之后,再次耦合到輻射貼片上,4個(gè)輻射貼片2個(gè)成一對(duì)并行排列?？梢钥闯?產(chǎn)生交叉極化電場(chǎng)的磁流在遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)論是在E面或是在H面,都相互抵消了,而傳統(tǒng)的饋電方式(饋電方向均朝向一側(cè)),在H面內(nèi)由于磁流在其中心兩側(cè)產(chǎn)生的交叉極化電場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)不能完全抵消,因此會(huì)影響其交叉極化隔離度性能。文獻(xiàn)所提出的饋電方式仍然是將饋線與微帶輻射單元處于同一側(cè)。如果稍加改動(dòng),將饋線與輻射單元分別處于接地板兩側(cè),如圖2所示。這樣做有2個(gè)好處:能將饋線產(chǎn)生的其他場(chǎng)降至最小,這樣在組建大型微帶陣列時(shí)是非常有必要的;在組建大型微帶陣列時(shí),由于饋源網(wǎng)絡(luò)與輻射單元處于不同側(cè),我們就不用再考慮輻射單元與饋源網(wǎng)絡(luò)之間的互耦問(wèn)題,這樣,饋源網(wǎng)絡(luò)就可以得到很大程度的簡(jiǎn)化?；谶@樣的分析,用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖3顯示的是圖2中E面與H面主極化與交叉極化在θ角[-90°,90°]范圍內(nèi)的結(jié)果。可以看出,這樣的饋電方式在中心以及1dB以內(nèi)仍然能獲得很好的交叉極化隔離度特性。34饋源網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)有了上面的基礎(chǔ),我們進(jìn)一步擴(kuò)大陣元數(shù)目。由于此時(shí)不用再考慮饋源網(wǎng)絡(luò)與輻射單元之間的相對(duì)距離,所以我們將饋源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的越簡(jiǎn)單越好,以便于工程應(yīng)用圖。有人擔(dān)心饋源網(wǎng)絡(luò)與輻射單元共用一塊金屬板,中間的金屬板會(huì)不會(huì)漏電,導(dǎo)致天線無(wú)法正常工作。對(duì)此我們知道,金屬在電場(chǎng)中具有“靜電平衡”作用,當(dāng)金屬處于平衡狀態(tài)時(shí),金屬體內(nèi)是沒(méi)有凈電荷的,這樣就不會(huì)有電流存在。這樣就不用擔(dān)心通過(guò)中心接地板上下“走電”的問(wèn)題。但是饋源網(wǎng)絡(luò)與開(kāi)槽線一定要保持一定距離,不然會(huì)有很強(qiáng)的互耦。因此,首先想到的是圖4(a)所示的饋源網(wǎng)絡(luò),同軸線的輸入阻抗是50Ω,經(jīng)過(guò)阻抗變換到饋源網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗。在第一功分處分開(kāi)要有路徑上λg/2的差值,在3處T型功分器處都選取λg/4阻抗變換(具體設(shè)計(jì)方法見(jiàn)文獻(xiàn)),這樣能使網(wǎng)絡(luò)本身的駐波降到很低,使能量最大限度的進(jìn)入開(kāi)槽線,進(jìn)而耦合到天線輻射單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5(a)所示。主極化增益為17.33dBi,交叉極化為-13.44dBi,交叉極化隔離度在1dB范圍內(nèi)為30dB左右,符合工程要求。如果采用圖4(b)的饋源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電,會(huì)得到圖5(b)所示的結(jié)果,交叉極化隔離度在40dB左右。因此可以得出這樣一個(gè)結(jié)論:如果將饋源網(wǎng)絡(luò)在第一功分入口隔開(kāi)的話,交叉極化隔離度性能就會(huì)更加良好;如果牽扯到工程,只需要引入一個(gè)事先做好的微帶3dB電橋或者功分器即可。圖5中θ角范圍內(nèi)曲線不是很對(duì)稱,這是由于饋源網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起的。圖4(b)所示結(jié)構(gòu)相比圖4(a)性能更加良好一些,這個(gè)可以通過(guò)圖6來(lái)加以解釋。圖6所示為用兩個(gè)相位相差π的激勵(lì)波端口來(lái)模擬第一功分口的兩路信號(hào),此時(shí)交叉極化隔離度