現代的衛星通信系統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代衛星通信系統的要求。目前，國內外進行了展寬微帶天線的工作帶寬、實現雙頻、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，限制了它在衛星通信領域的應用潛力。為了滿足現代衛星通信系統的要求，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化，并根據優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雙極化的兩套饋電網絡隔開，有利于網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ε_r1=2.2，h₁=1 mm的聚四氟乙烯板，饋電介質板采用ε_r2=ε_r3=3.38，h₂=h₃=0.305 mm的陶瓷碳氫混合物板。

　根據口徑耦合微帶天線的傳輸線模型理論[5]，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，最后用電磁仿真軟件對天線的結構參數進行優化，優化后天線單元各參數如表1所示。

2 天線陣列的設計
　2×2元微帶天線陣的饋電網絡分布如圖3所示。饋電網絡采用并饋形式，由多個 T 形功分器連接，其中采用多節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絡中不必要的輻射和損耗對天線增益帶來的影響[6-7]。為了抑制交叉極化[8]，饋電網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[9]。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）。

3  天線陣仿真與實測結果
    基于以上設計,用電磁仿真軟件CST2008 對該天線陣進行了電磁仿真和優化，仿真得到天線陣兩端口的駐波比如圖4所示，兩端口的隔離度如圖5所示。根據優化結果制作了四元天線陣實物模型如圖6所示。

    使用Agilent N5230A矢量網絡分析儀對天線陣兩端口駐波比和隔離度進行了測試，測試結果分別如圖4、圖5所示。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%。在11 GHz～15 GHz整個頻帶范圍內兩個極化端口的隔離度優于35 dB。測試結果和仿真結果吻合較好，可見該天線陣具備良好的帶寬和雙頻特性。
    最后，對天線陣的方向圖進行了測量。圖7給出了天線陣在水平極化端口12.3 GHz頻率處仿真與實測E面和H面遠場方向圖。圖8給出了天線陣在垂直極化端口14.2 GHz頻率處仿真與實測E面和H面遠場方向圖。在12.3 GHz頻率處,實測天線陣最大增益為13.3 dB，主瓣方向為天線法線方向。主瓣寬度E面約為33.8°，H面約為35.4°，第一旁瓣電平為-13.6 dB。在14.2 GHz頻率處，天線陣最大增益為11.9 dB, 主瓣寬度E面約為31.2°，H面約為29.5°，第一旁瓣電平為-10.9 dB。實測天線方向圖和仿真結果略有偏差,可能是因測試環境影響所致。實測結果表明：該天線陣電性能和輻射特性良好，并能滿足工程應用要求。

    綜合運用口徑耦合饋電、錯位倒相饋網技術和單層微帶貼片結構設計了一種用于衛星通信的Ku波段寬帶雙頻雙極化四元微帶天線陣。設計的雙頻雙極化天線陣水平極化端口在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?燮1.5,相對阻抗帶寬為10.24%。在11 GHz～15 GHz整個頻帶范圍內兩個極化端口的隔離度優于35 dB，實測天線陣最大增益為13.3 dB, 測試結果與仿真結果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好，可作為高增益寬帶雙頻雙極化微帶天線陣組陣的子陣，滿足其在衛星通信、車載雷達通信和散射通信等領域的工程應用。
參考文獻
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