收发分频双线极化微带天线的应用分析

作者：任国敏，朱满座 西安电子科技大学

0 引言
   
近年来，随着通信信息容量的不断增大，天线的研究正朝着多极化、多频段方向发展。双极化天线能发射或接收两个正交的电磁波，可在同一带宽内发射两种信号，因而有利于实现频率复用和收发一体，可将通信容量提高一倍。方形微带贴片天线以其良好的极化特性和微带天线本身具有的结构小、重量轻、易与有源电路集成一体化等优点而成为研究的重点。微带天线是在带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片构成，其辐射由微带天线边沿和地板之间的边缘场产生。微带天线具有重量轻，体积小，剖面低，易于共形和易于组阵等诸多优点，因而在卫星通信、导弹遥测、雷达等领域得到了广泛应用。但是，微带天线也有其自身的缺点，比如，由于微带天线的谐振性，其频带较窄，因而限制了其进一步的应用和发展，为此，研究人员提出很多方法来拓宽微带天线的带宽，其中最具代表性的是附加寄生贴片和表面开槽的方法。
   
本文设计了一种具有层叠结构的双线极化方形微带贴片天线，该方法用探针对下层贴片进行馈电，并通过耦合作用激励上层寄生贴片，使微带天线谐振于两个谐振点，从而使天线可在两个频段上共达到12．2％的阻抗带宽，同时，通过给相互垂直方向上的两个端口正交馈电，还可以成功的实现双线极化。

1 天线模型及参数设计
   
本文给出的天线模型如图1所示。该模型采用正方形微带贴片，因为正方形微带贴片具有良好的极化辐射对称性且易于加工制造。天线通过两个端口的正交馈电来实现水平／垂直双极化辐射。由图1可见，该天线主要由金属底板、方形辐射贴片和方形寄生辐射元组成，两层辐射元均印制在边长为60mm的方形Rogers RT／duroid 5880(介电常数2．2，损耗角正切0．0009)介质板上，下层介质板高2mm，上层介质板高3mm，两层介质板之间用厚度为1mm的空气层隔开。两馈电点的位置均位于下层贴片的中心线上，其中port1位于x方向的中心线上，距离贴片中心距离为d1，port2位于y方向的中心线上，距离贴片中心距离为d2。

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设上下层贴片的初始谐振频率分别为2．07GHz和2．25GHz，则由式(1)可计算得到下层贴片的初始尺寸L1为48．9mm。

   

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式中：c是光速,f为谐振频率,εr是介质的介电常数。
   
计算上层贴片的边长涉及到厚度为1mm的空气层，可按式(2)计算从上层贴片到接地板之间包括空气层和两层介质的等效介电常数(εe=1．83)，再用εe替换(1)式中的εr，从而计算出上层贴片的边长L2为49．4mm。
   

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式中：i表示介质的层数,hi是第i层介质的厚度,εri是第i层介质的介电常数。
   
经计算，可得出图1中各参数的初始尺寸，见表1。

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2 仿真结果分析
   
对表1中给出的各参数的计算值可用仿真软件HF-SS作进一步的优化，以便在所要求的设计频段内(发射频段：2．025GHz～2．120GHz，接收频段：2．2GHz～2．3GHz)得到最好的反射损耗S11参数曲线，图2所示是反射损耗S11和端口隔离S12参数的仿真曲线。
   
由图2可见，在所设计的频段内，反射损耗最大值也在-6dB左右，大部分都在-10dB以下，即S11小于-6dB的阻抗带宽在发射频段为1．96 GHz～2．13GHz，在接收频段为2．22GHz～2．31GHz，计算其相对值在发射频段和接收频段分别达到8．2％和4％，此时两端口的隔离参数曲线也都处于-20dB以下，可见端口隔离良好。另外，由于两端口分别是垂直极化端口和水平极化端口，故也说明极化隔离良好。

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该天线在中心频率处的增益方向图如图3所示，可以看出，该方向图半功率波束宽度约为2θ0.572°，可以满足设计要求的2θ0.5≥60°。
   
另外笔者在天线的几个关键频点处的增益也做了仿真试验，它们的增益向保形性良好。可以估计，在发射频段和接收频段内都能满足半功率波束宽度大于60度的指标要求。此外，在各频点2．02，2．07，2．12，2．20，2．25，2．30GHz的增益值都大于8dBi，并且随频率升高，其增益基本呈增大的趋势。

3 结束语
   
本文提出的收发分频层叠型微带天线通过加载寄生贴片单元后，可形成双峰谐振特性，从而取得了较宽的阻抗带宽，而且在阻抗带宽内的仿真增益均大于8dBi。此外，本天线还具有双线极化特性，其通信信息容量较传统单极化天线可增大一倍，故可广泛应用于各种通信系统。