【深度】一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计(下)实验结果与分析

学术plus2020-09-27 12:34:53

今日荐文

今日荐文的作者为上海交通大学电子工程系专家王堃,金荣洪,耿军平,梁仙灵,李建平本篇节选自论文《一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计》,发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第2期。本文为论文的后半部分。

摘 要设计了一种紧凑馈电网络的宽带毫米波圆极化微带阵列天线,采用缝隙耦合馈电的宽带圆极化微带天线单元和紧凑的S形曲线并联等相差圆极化馈电网络构建了2×2的宽带圆极化微带阵列天线,分析了各个参数对天线特性的影响,获得了较好的宽带圆极化特性。并以该2×2天线阵列为基本子阵,通过并联馈电网络扩展到4×4的宽带圆极化微带天线阵列。实测和仿真结果基本一致,实现了良好的宽带圆极化特性。


关键词: 毫米波;宽带;紧凑高效馈电网络;圆极化;微带阵列天线

引 言


近年来,随着毫米波技术的迅速发展,其在卫星通信、星载雷达、高精度制导以及下一代5G移动通信等各个领域被广泛应用。Ka波段作为毫米波的重要组成部分,可以提供的带宽更大、通信容量更高、终端尺寸更小以及抗干扰能力强等优点使其成为未来通信发展的重要频段。

 

毫米波微带阵列天线已有相关文献报道,文献[1]采用双层介质基板,通过缝隙耦合的并馈方式设计了一种工作在Ka波段的十六元微带天线阵列,获得8%的阻抗带宽;文献[2]对工作在毫米波段的切角贴片单元采用了倾斜角度的馈线,同时馈电网络采用串并结合的馈电方式。改善了圆极化带宽和阻抗带宽,分别达到了1.3%和4.7%;文献[3]分别设计了4元和8元U型槽馈电的毫米波天线阵列,馈电网络均采用并馈的方式,有效阻抗带宽分别为3.28%和3.85%;文献[4] 设计了一种采用寄生贴片的交叉槽作为圆极化单元,并通过90度的延迟线馈电。该延迟线有三个分支可以实现相位延迟,振幅补偿以及阻抗匹配的效果,获得较好的轴比宽带特性,实测结果表明16元阵列的轴比带宽为14%;文献[5]设计了一种寄生圆环的L型辐射贴片天线,通过旋转馈电实现圆极化,该天线阵列的有效阻抗带宽达到24%。上述文献设计的毫米波天线多采用缝隙耦合,通过并馈网络实现了较好的辐射性能,并获得较宽的阻抗带宽,为毫米波段微带阵列天线的设计提供了很好的设计思路和方法。

 

由于毫米波天线电尺寸很小,天线阵列的馈电网络可用空间范围很有限,增加了设计难度且易出现耦合现象,不易扩展为大型阵列。同时受到毫米波段的加工工艺精度的限制,也是影响毫米波天线电性能的原因之一。针对毫米波段微带阵列天线设计中存在带宽窄,强耦合,扩展性不佳等诸多问题,本文设计了工作在Ka波段的宽带圆极化微带阵列天线,采用宽带圆极化天线单元与一种结构紧凑的圆极化馈电网络结合来实现2×2宽带圆极化天线子阵,以该子阵为基础,通过并联网络扩展到4×4宽带圆极化天线阵列。该天线阵列结构简单、紧凑的馈电网络降低了毫米波天线阵列的设计难度,有较好的扩展性。对实现宽带性能,改善圆极化纯度有很大的优势。


【深度】一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计(上)天线单元与宽带波束形成器的设计  

1.天线单元

2.宽带波束形成器的设计

2.1     2×2天线阵列设计

2.1.1  2×2天线阵列布局

2.1.2  紧凑、高效圆极化馈电网络设计



2.2   4×4天线阵列设计

2.2.1  4×4天线阵列布局

以上节设计的2×2圆极化天线阵列为基本子阵,采用并行同相的馈电网络进行扩展,设计了4×4圆极化天线阵列,如图9所示。


2.2.2  4×4圆极化天线阵列馈电网络设计

为了便于阵列扩展形成大的阵列,采用并联馈电技术将2×2圆极化天线扩展为4×4圆极化天线阵列,一方面该技术可以较好地保证天线阵列实现高增益高辐射效率,同时在天线阵列有限的空间内采用并联馈电技术可以大幅度减少馈电网络的带线路径,缩小天线阵列的面积,使得大型天线阵列的馈电网络更加简洁。另一方面该技术巧妙的利用了U形线结构,如图9(b)中的ABCDE部分构成的U型结构,有效的抑制了带线之间的耦合效应。此外,4×4天线阵列采用并联馈电技术还可以更好的保证各子阵端口的等幅同相特性,达到高效辐射的目的。


图9   4×4天线阵列

(a)阵列布局,(b)圆极化馈电网络

 

如图10所示,4×4天线阵列的回波损耗和轴比仿真结果。有效阻抗带宽达到33.2%;轴比AR﹤3dB的圆极化带宽是17.5%。

2×2圆极化天线阵列和4×4圆极化天线阵列的增益仿真如图10(b)所示,最大增益分别达到13.26dB和18.8dB。

(a)16元阵列回波损耗和轴比,

(b)4元和16元阵列增益曲线

图10   4×4天线阵列仿真


3 实验结果与分析


天线2×2、4×4阵列加工实物样机如图11所示。并进行了天线电性能测试实验。天线端口反射系数通过安捷伦矢量分析仪E8361C进行实测。实测结果如图12所示。2×2天线阵列阻抗带宽达到32%,端口反射系数在27.9~39.1GHz内小于-10dB。4×4天线阵列阻抗带宽达到39.7%,端口反射系数在25.7~39.6GHz内小于-10dB。同时对阵列天线在工作带内不同的频率点的方向图和轴比进行外场测试实验。由实测结果可见,2×2和4×4天线阵列的实测结果良好与仿真结果基本吻合。


(a)4元天线阵列实物图


(b)16元天线阵列实物图

图11   天线实物照片


(a)2×2、4×4天线阵列回波损耗

 

(b) 2×2天线阵列方向图实测

(c)4×4天线阵列方向图实测


(d)2×2、4×4天线阵列增益曲线实测


(e)2×2天线阵列轴比实测


(f)4×4天线阵列轴比实测

图12 实测结果


结 语


本文采用缝隙耦合馈电,设计了一种毫米波切角圆极化微带天线单元。同时,设计了一种新型高效紧凑的馈电网络,最后使用该馈电网络在天线单元的基础上分别设计了2×2和4×4天线阵列。实测结果表明,2×2和4×4天线阵列的阻抗带宽分别达到32%和39.7%。天线阵列的旁瓣电平和交叉极化电平较低,工作频带内2×2天线阵列最大增益达到13.8 dB,4×4天线阵列最大增益达到17.8 dB。由于测试环境是外场,损耗大,干扰不可避免直接影响天线的电性能,复杂的外场环境对天线测试结果带来较大影响。


通过仿真和实测结果对比基本吻合,此天线具有较好的带宽、高增益、圆极化特性好、结构紧凑,剖面低的特点,很适合组大型天线阵列,在通信领域有很好的应用前景。


 

(参考文献略)



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