一种宽带小型化双极化印刷振子天线的设计

张 青，夏 翔，赵 旭，徐远超，金志峰

（中国航天科工集团8511 研究所， 江苏 南京 210007）

0 引言

随着通信和雷达的快速发展，天线对尺寸和带宽都有较为严格的要求，印刷偶极子天线具有质量轻、体积小、成本低、便于排阵等优点，在雷达和通信等领域得到了广泛应用，特别是用作接收天线。而在蜂窝电话、全球定位系统（GPS）、合成孔径雷达（SAR）、卫星通信、个人通信、近场测量系统等领域，都需要轻质量、低轮廓、制造简单的宽频带双极化的天线。

双极化天线能发射或接收2 个正交极化的电磁波，因此在同一带宽内，天线可以发射2 种信号，这有利于频率复用或者收发同时工作。除了要保证天线的频带宽度、增益、波束宽度以及前后比等指标外，需要特别考虑的是每种极化的交叉极化电平以及天线尺寸［1-3］。

由于天线本身的多性能和工程应用背景，尽管已有大量对宽带天线和双极化天线的研究，但同时满足通信天线电路参数和辐射参数标准的宽带双极化天线却很少。

1 天线设计

本文介绍了一种工作于X 频段的双极化印刷振子天线，能在最大限度范围内达到多项指标的均衡性，同时降低了天线的复杂度、损耗和成本，实现天线的小型化及良好的辐射性能。本天线结构图如图1 所示，由印刷振子辐射器、馈电巴伦及反射腔体组成。天线通过介质印刷的方式实现小型化，天线尺寸为∅20 mm×h10 mm。

图1 印刷振子天线结构图

天线辐射器是由2 对印刷振子臂组成，分别为水平极化辐射器和垂直极化辐射器，每对振子之间通过多层板馈线实现互连，水平极化辐射器馈线和垂直极化辐射器馈线分层交错。

天线的馈电巴伦连接器实现平衡-不平衡转换以及SMA-K 输出口一体化设计。馈电巴伦连接器从反射腔底面中心向上穿出，安装在反射腔底面，顶部探针穿过辐射器中心2 个金属化通孔，分别与2 对印刷振子臂焊接。印刷振子为双向辐射结构，通过在天线底部加金属反射板实现天线的定向辐射。

2 天线仿真

天线采用某电磁场分析软件进行仿真分析。天线在软件中的仿真模型如图2 所示。天线在8～12 GHz 的频段内进行仿真，针对计算的结果分析，调整模型的结构尺寸以进行优化设计，直到输出满意的结果，在调整天线模型尺寸时，要考虑实际工程的应用以及加工精度的要求。

图2 印刷振子天线仿真模型

天线仿真驻波图如图3 所示。

图3 天线驻波

天线圆极化增益方向图如图4—13 所示。

图4 8 GHz 方位面增益方向图

图5 9 GHz 方位面增益方向图

图6 10 GHz 方位面增益方向图

图7 11 GHz 方位面增益方向图

图8 12 GHz 方位面增益方向图

图9 8 GHz 俯仰面增益方向图

图10 9 GHz 俯仰面增益方向图

图11 10 GHz 俯仰面增益方向图

图12 11 GHz 俯仰面增益方向图

图13 12 GHz 俯仰面增益方向图

天线增益仿真值如表1 所示。

表1 天线增益仿真值

可以看出，天线端口驻波在8～12 GHz 频带内小于2。天线方位面±70°增益大于-0.37 dB，俯仰面增益±70°增益大于-0.9 dB，轴向增益大于6.1。

3 天线测试

根据仿真优化的结果制作了实物模型，在暗室进行增益方向图测试，天线驻波如图14 所示，考虑到天线增益方向图在方位面和俯仰面基本一致，测试结果仅给出方位面增益方向图，测试结果如图15 —19所示。

图14 天线单元驻波图

图15 f=8 GHz 方向

图16 f =9 GHz 方向图

图17 f =10 GHz 方向图

图18 f =11 GHz 方向图

图19 f =12 GHz 方向图

天线增益测试值如表2 所示。

表2 天线实测增益统计表

实测结果表明，双极化印刷振子天线轴向实测增 益大于5.16 dB，±70°增益大于-1.2 dB。天线结构简单紧凑，方向性、圆极化性能优良，带宽完全能满足要求，天线的设计满足了实际工程的需要。

4 结束语

本文在普通双极化印刷振子结构基础上，研制了一种改进的宽带宽波束双极化天线。该天线通过多层印制结构实现双极化馈电，在宽角域内增益大于-1.2 dB，轴向增益大于5.16 dB，实现了天线轻量及小型化，可为宽带宽波束双极化天线的进一步研究和设计提供一种新的实现方式。