一种高隔离度双极化微带天线的设计 - 图文

一种高隔离度双极化微带天线的设计

苏振华 尹应增 任学施 张 杰 乔 青

（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071）

摘 要：本文介绍了一种工作在Ku波段的高隔离度双极化微带天线，该天线采用邻近耦合和H槽缝隙耦合相结合的馈电方法实现了天线的双极化，双层反射地板的结构降低了天线方向图的后瓣。借助Ansoft 公司的HFSS仿真软件对该天线进行了仿真和优化，得到了较好的结构和指标参数。与常规的双极化微带天线结构相比，该天线具有高端口隔离度和低后瓣的特性。 关键词：双极化；微带天线；隔离度

Design of a Dual-polarization Microstrip Antenna

Su Zhenhua Yin Yingzeng Ren Xueshi Zhang Jie Qiao Qing

(Institute of Antennas and Electromagnetic Scattering，Xidian University, Xi'an 710071，China)

Abstract: A high isolation dual-polarization microstrip antenna working at Ku-band is presented. This antenna is fed by methods of direct coupling and H-slot coupling to realize dual-polarization. Due to the double reflectors structure ,the antenna has a lower back-lobe. On basis of Ansoft HFSS software, this antenna is analyzed and optimized. Some good results are presented. Compared to conventional dual-polarization microstrip antenna, this antenna has better isolation and lower back-lobe characteristics. Keywords: dual-polarization ; microstrip antenna ; isolation

方加了一块反射地板，得出比较理想的结果，其端

1 引言

口隔离度低于-40dB，后瓣降低了4.85dB。 微带天线由于具有体积小，重量轻，低剖面，易于加工以及与有源器件及电路集成等诸多有点，在通信，雷达等方面得到广泛的应用。另外，频谱资源日益紧张现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信容量增加一倍。

双极化技术的应用通常要求低交叉极化电平和高隔离度。单层的双端口馈电隔离度一般只能达到-25dB左右[1]，多层馈电虽然结构稍微复杂，但是可以得到很高的隔离度。

本文首先对三层介质板单层反射板的微带双极化天线进行了分析，其结果表明方向图的后瓣比较大。然后采用了四层介质板，在最下层的介质板下

2 微带双极化天线的研究

2.1 天线的结构

三层介质板微带天线结构如图1所示，其中（a）是立体的侧视图，（b）是俯视图。天线由三层介质板组成，辐射贴片蚀刻在最上层即第一层介质板的顶部。邻近耦合馈电微带线在第二层介质板的上面，第二层介质板和第三层介质板之间放置反射地板，H槽开在这反射地板上面，第三层介质板的下侧为通过H槽耦合馈电的微带线。三层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880(tm)材料，第一，二层厚度为0.381mm,第三层厚度为0.254mm，馈电

采用50欧姆微带开路线。

不同层馈电可以明显的增加隔离度，可以对H定的。该天线的各指标均良好，完全能满足工程的需要。

槽的尺寸进行调节，改善输入端口的阻抗特性。

辐射贴片介质板微带馈电线反射地板介质板H形槽

（a）立体侧视图

LLaWaPort 1LLbWbWLsWsHPort 2

（b）俯视图

图1 天线结构图

2.2 天线的仿真分析及优化

利用电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真和优化，以此来确定天线的结构尺寸。优化后的结构尺寸如表1所示。仿真得到的两个端口的S参数如图2，3所示，图2表明端口1的-10dB阻抗带宽为1GHz,从16.45GHz至17.45GHz，端口2的-10dB阻抗带宽为850MHz，从16.55至17.40GHz。从图3可以看出，天线表现了高隔离度的特性，其两端口的隔离度在频带范围内低于-40dB，在频点16.5GHz上达到-56dB。

图4给出了天线在两个主极化方向x-z面和y-z面的方向图，从图中可以看出，天线具有良好的交叉极化特性，这也是天线馈电端口的高隔离特性决·2·

表1 天线结构尺寸表（单位mm）

符号 L La W Wa Wb 尺寸 5.22 3.41 0.4 1 0.75 符号 Ws Lb Ls H 尺寸 0.2 1.6 1.6 1.8

图2 天线的反射损耗

图3 天线两端口的隔离度

（a）x-z面的方向图

（b）y-z面的方向图

图4 双极化天线的方向图

3 降低天线后瓣的研究

很多介绍采用H槽耦合方式馈电的双极化微带天线的文献都没有考虑天线后瓣的问题[4]，工程上我们需要前后比要尽量大，由于H槽开在反射地板上，不可避免的产生比较强的后向辐射，因此，我们考虑在最下层再加一层介质板和反射地板，以此来减少后向辐射来降低天线的后瓣，所加介质板厚度为0.254mm。如图5所示，这样，H槽耦合馈电线就成了带状线馈电，其宽度变为0.42mm，根据需要，我们在馈电线上加了一个匹配枝节来达到端口的匹配。枝节的宽度和馈电线一致，主要调节它的长度来达到匹配。

辐射贴片图6是原来的天线和在最底层加了一层介质和一块反射地板后的天线增益方向图比较。结果表明，在不影响带宽和隔离度特性的前提下，这种方法降低了天线的后瓣，后向辐射从原来的-6.98dB降低到-11.83dB,降低了4.85dB。

图6 增益方向图

4 结束语

介质板微带馈电线反射地板本文基于仿真计算设计出了一个工作于16.6GHz-17.4GHz的双极化微带天线单元。采用不同层馈电的方式来提高天线的隔离度。最后采用双层反射地板的方法增加了天线的前后比。

介质板H形槽带状馈电线反射地板匹配枝节

图5 加反射地板的天线结构

参 考 文 献

[1] L. J du To lt and J. H. Clo ste. dual po larized linearm icro st rip patch array[C ]. IEEE,A P- S In t. Sym.D ig. , June, 1987: 810～

813S

[2] S.Gao, L.W.Li, M.S.Leong,and T.S.Yeo, A Broad-Band Dual-Polarized Microstrip Patch Antenna With Aperture Coupling. IEEE

Transactions on Antennas and Propagation. VOL.51.NO.4, APRIL 2003

[3] 王泽美，孙从武，潘雪明，鄢泽洪. 一种Ku波段双线极化宽频微带天线. 空间电子技术，2006年增刊

[4] 肖疆，朱敏慧，王小青. 一种新型双极化口径耦合微带天线单元的研究. 微波学报，第22卷，第4期，2006年8月。 [5] Dong-Hyuk Choi and Seong-Ook park, Dual-band and Dual-Polarization Patch Antenna With High Isolation Characteristic. [6] Luis Inclan-Sanchez, Jose-Luis Vazquez-Roy, and Eva Rajo-Iglesias, High Isolation Proximity Coupled Multilayer Patch Antenna

for Dual-Frequency Operation. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. VOL.56.NO.4, APRIL 2008.

[7] Steven(shichang) Gao and Alistair Sambell. Dual-Polarized Broad-Band Microstrip Antennas Fed by proximity coupling. IEEE

Transactions on Antennas and Propagation. VOL.53.NO.1, JANUARY 2005.

·3·

一种新颖的单馈电宽带圆极化天线的设计

李 萌 鄢泽洪

(西安电子科技大学天线与电磁散射研究所，西安 710071)

摘 要：本文提出了一种新颖的单馈电宽带圆极化天线，该天线是由敷在介质基板一侧的微带单极子辐射器，敷在基板另一侧的开有I型缝隙的地板以及馈线组成。馈线对单极子直接馈电，对地板上的缝隙耦合馈电，使得激励起两个幅度相等，相位相差90°的正交模式，在约4GHz的中心频率处辐射圆极化波。结果表明，该天线的相对阻抗带宽和轴比带宽分别达到61.4%（2.65-5GHz）和41%（3.3-5GHz）。本文应用软件HFSS.11进行仿真和优化。

关键词：宽带天线，单馈电，圆极化，单极子，轴比

A Broadband Single-Feed Circularly Polarized Antenna

Li Meng Yan Zehong

(Institute of Antenna and EM Scattering, Xidian University of China, Xian 710071)

Abstract: A novel broadband circularly polarized antenna with a single feed is presented. The antenna is composed of a ground plane with an I-shipped slot, a monopole radiator and a feed line straightly feed to the monopole and coupling feed to the slot on the ground. The slot and the monopole excite two orthogonal resonant modes with the same amplitude and 90°phase difference for radiating circular polarization at about 4GHz. The prototype has been designed, built and found to have an impedance bandwidth of 61.4% (2.65-5GHz) and a 3-dB axial ratio (AR) bandwidth of 41% (3.3-5GHz). The characteristics of the proposed antenna have been studied by simulation software HFSS.11.

Keywords: Broadband antenna; single-feed; circular polarization (CP); monopole; axial ratio

这种天线通常都是线极化天线，很难辐射圆极化波。

1 引言

因此，如果印刷单极子天线能够辐射出圆极化波，那么圆极化带宽的问题就能够有效地解决[9]。

现在，简单的线极化天线已很难满足人们的需

本文设计了一种新颖的宽带单馈电圆极化微带

求，圆极化天线由于其信号稳定、抗干扰能力强等

单极子天线，有效地展宽了圆极化天线的阻抗和轴

优点广泛地应用于通信、雷达、电子对抗、遥感等

比带宽。 [1, 2]

诸多方面。其中，单馈电圆极化天线由于不需要外加相移网络，使得天线的结构简单而备受青睐[3-8]。

2 天线的结构和原理 然而，单馈电圆极化天线最主要的缺点是其阻抗带

宽和轴比带宽都比较窄，通常只有10%左右。因此，展宽圆极化天线的带宽成了人们日益关注的问题。 天线的结构示意图如图1所示。该天线主要是

另一方面，印刷单极子天线由于其简单的结构、由微带馈线、敷在介质基板一侧的印刷单极子和敷低轮廓以及宽带特性而得到了快速地发展。然而，在另一侧的开有I型缝隙的地板组成。圆极化波是通·4·