Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计*

胡志慧，姜永华，李 娜，凌 祥

(1海军航空工程学院，山东烟台 264001;2 91917部队，北京 100000)

0 引言

Ka波段是毫米波段中的一部分，其微带天线具有体积小、重量轻、剖面薄、易共形、方向性好、探测精度高等优点，已经在通信、导航、制导、引信等方面获得了广泛应用。然而，在Ka波段，雨雾等空中水凝物对电磁波后向散射形成的雨杂波严重影响了雷达的探测精度。由于圆极化微带天线可以有效抑制雨杂波干扰和抗多径反射[1]，从而可减弱雨杂波对雷达探测性能的影响，因此，对Ka波段圆极化微带天线的研究有重要意义。

微带天线获得圆极化的基本原理是激起两个幅度相等、极化方式正交的线极化波，其实现方法主要有单馈法及多馈法。文献[2]采用方形切角微带天线单元研制了毫米波圆极化单脉冲天线阵列，尽管结构简单，但轴比带宽只有1.2%，极化性能也较差;文献[3]研制了Ka波段高增益圆极化微带天线阵列，轴比带宽得到一定提高，达到了5.6%;文献[4]和文献[5]分别采用4层介质耦合馈电和正交 H形口径耦合馈电设计了宽带圆极化微带天线，获得了较宽的阻抗带宽和轴比带宽，但这种天线结构比较复杂，尺寸比较大，不适合阵列天线的应用。

文中提出了一种基于矩形缝隙耦合的Ka波段圆极化微带天线单元，分析了各参数对天线轴比特性的影响，采用CST软件对天线单元进行了仿真优化，得到了合理的天线尺寸;然后以该天线单元为基础，采用顺序旋转馈电技术[6]，设计了4×4宽带圆极化微带天线阵列，显著改善了天线的轴比带宽和圆极化纯度。

1 天线单元设计

1.1 天线单元结构

缝隙耦合馈电的主要优点是避免在基片上打孔，馈电层与辐射层通过中间接地层完全隔离，分别装在两个介质板上，减小了馈电网络对天线辐射单元的影响，交叉极化电平低，阻抗带宽宽，更容易实现圆极化等。

基于矩形缝隙耦合的圆极化微带天线单元结构如图1所示。天线由两层介质板、微带贴片、微带馈线及开在接地板上的耦合缝隙组成。两层介质板的介电常数 εr均为 2.2，第一层介质厚度h1为0.25mm，第二层介质厚度 h2为 0.5mm。第一层介质下侧为微带馈线，微带馈线终端开路，通过调节其长度来改善天线的阻抗匹配特性，馈线宽度为 W2，终端长度为L2，特性阻抗为 100Ω。接地板位于第一层介质和第二层介质中间，接地板上开有矩形缝隙，宽度和长度分别为WS和LS，能量通过矩形缝隙耦合到辐射贴片上。矩形微带天线印制于第二层介质板的上侧，采用附加简并分离单元来实现圆极化，矩形贴片宽度和长度分别为WP和LP，切角深度分别为W1和L1。

图1 基于矩形缝隙耦合的圆极化微带天线单元结构

1.2 参数分析

由腔模理论知，天线的谐振频率主要由天线长度LP决定，轴比特性主要由简并分离单元决定，但是由于采用缝隙耦合馈电方式，矩形缝隙的尺寸对天线谐振频率和轴比特性也有较大影响。缝隙宽度WS增加，耦合强度加强，谐振电阻增加，谐振频率变低;矩形贴片长度LP增加，天线的谐振频率变低。

天线采用切角的方法实现圆极化，为进一步研究切角深度对天线轴比特性的影响，利用CST分别对切角长度和宽度进行了仿真分析。图2表明，切角宽度W1主要影响轴比值为最小时的频率，当切角宽度由大变小时，频率逐渐向左偏移。图3表明，切角长度L1主要影响轴比值的大小，随着切角长度的增加，天线的轴比值变小，轴比带宽增加。

1.3 仿真结果

利用CST对天线单元进行仿真优化后，得到的尺寸如表1所示。

图2 切角宽度对轴比特性影响

图3 切角长度对轴比特性影响

表1 天线单元尺寸 mm

仿真得到的S参数如图4所示，天线在32.4～39.4GHz频率内 S11 ＜－10dB，相对阻抗带宽为20%。天线单元的轴比特性如图5所示，在34.5～35.8GHz频率内AR ＜3 dB，相对轴比带宽为3.7%。天线工作在 35GHz时，E面和 H面的左旋极化(LHCP)方向图及右旋极化(RHCP)方向图如图6所示，由图知该天线为左旋圆极化天线。

图4 天线单元S11曲线

图5 天线单元轴比随频率变化曲线

图6 天线单元极化方向图

2 天线阵列设计

为有效提高轴比带宽，增加天线增益，降低交叉极化电平，采用顺序旋转馈电技术，对上述天线单元进行组阵。4×4毫米波圆极化天线阵面分布及耦合馈电网络分别如图7和图8所示。

图7 天线阵面分布

图8 口径耦合馈电网络

天线阵元纵横对称分布，阵元间距均为6.4mm(约 0.75λ0，35GHz时 λ0=8.57mm)。各天线单元依次旋转 90°，馈电相位依次为 0°、90°、180°、270°，馈电幅度相等。采用T形接头进行功分，在功分之前采用70.7Ω的四分之一阻抗变换器进行阻抗变换，其宽度为 0.45mm，长度为 1.65mm。

仿真得到的天线阵列轴比特性如图9所示，天线阵列在 31.8～37.8GHz内 AR ＜3dB，相对轴比带宽达17%。S参数如图 10所示，天线在 31.4～40.2GHz内S11＜－10dB，相对阻抗带宽为25%。由此可知，与传统天线阵列相比，采用顺序旋转馈电技术大大改善了天线的圆极化纯度和轴比带宽。天线增益随频率的变化曲线如图11所示，天线在整个阻抗带宽内增益均大于15dB，最大增益为19.4dB。图12～图14为天线阵在32、35、37GHz时 E面和 H面的左右旋极化方向图。由图可知，在整个频带内，天线阵的左旋极化方向图都比较稳定，3dB波束宽度约为15°，副瓣电平均低于－15dB，交叉极化电平低于－18dB。该天线阵具有频带宽、增益高及圆极化性能好等特点。

图9 天线阵轴比随频率变化曲线

图10 天线阵S11曲线

图11 天线阵增益随频率变化曲线

图12 天线阵在32GHz时的极化方向图

图13 天线阵在35GHz时的极化方向图

图14 天线阵在37GHz时的极化方向图

3结论

文中提出了一种基于矩形缝隙耦合的Ka波段圆极化天线单元结构，采用简并分离实现圆极化，通过调整切角深度及缝隙尺寸实现了良好的圆极化特性及阻抗匹配。针对传统微带天线阻抗带宽和轴比带宽窄的不足，采用了顺序旋转馈电技术，设计了4×4宽带圆极化微带天线阵列，显著改善了天线的圆极化纯度和轴比带宽。仿真结果表明，该天线单元阻抗带宽为20%，轴比带宽为3.7%，采用顺序旋转馈电组阵后，天线阵列的阻抗带宽和轴比带宽分别达25%和17%，天线阵列最大增益为19.4dB，在整个频带内，天线增益均大于15 dB，交叉极化电平均低于－18dB。这种结构的圆极化微带天线具有带宽宽、圆极化性能好、增益高、结构紧凑等优点，适合作为大型阵列的子阵。

由于Ka波段微带天线其工作频率较高，阵元之间的互耦以及微带馈电网络的带宽对天线性能会产生很大影响，因此，如何降低阵元之间互耦以及如何实现宽带馈电网络是进一步研究的内容。

[1]薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002，17(4):331 －336.

[2]赵爽，陈殿仁.毫米波圆极化单脉冲阵列天线的研究[J].微波学报，2011，27(6):73－76.

[3]John Huang. A Ka-band circularly polarized high-gain microstrip array antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1995，43(1):113－116.

[4]朱莉.一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J].微波学报，2008，24(3):21－24.

[5]张辉.基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J].电子与信息学报，2007，29(4):991－993.

[6]HU Yong-jin. Broadband circularly polarized microstrip antenna array using sequentially rotated technique[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10:1358－1361.