双极化口径耦合贴片天线的理论设计双极化口径耦合贴片天线的理论设计高文军1,2雷宏1吕善伟2摘要：设计了一种口径耦合贴片天线，具有双极化特性，并具有足够高的隔离和很低的交叉极化电平。天线通过十字槽耦合，只需一层馈电网络，不需要空气桥，孔径在贴片下方的中心。完成初步设计后，采用隐式时域有限差分法（ADI-FDTD）分析，并进行优化设计，天线的隔离度优于35dB。1前言随着现代无线通信技术的快速发展，卫星通信、全球定位系统（GPS）、合成孔径雷达（SAR）、个人通信等领域都需要轻重量、低轮廓、制造简单、易共形的宽频带或双频段/双极化的天线。微带贴...
双极化口径耦合贴片天线的理论设计高文军1,2雷宏1吕善伟2摘要：设计了一种口径耦合贴片天线，具有双极化特性，并具有足够高的隔离和很低的交叉极化电平。天线通过十字槽耦合，只需一层馈电网络，不需要空气桥，孔径在贴片下方的中心。完成初步设计后，采用隐式时域有限差分法（ADI-FDTD）分析，并进行优化设计，天线的隔离度优于35dB。1前言随着现代无线通信技术的快速发展，卫星通信、全球定位系统（GPS）、合成孔径雷达（SAR）、个人通信等领域都需要轻重量、低轮廓、制造简单、易共形的宽频带或双频段/双极化的天线。微带贴片天线具有馈电方式和极化制式多样化的特点，而且易与馈电网络、有源电路集成一体化，已成为印刷天线类的主角。根据现代通信的要求，研究印刷天线的一个重要的方向是多功能性，即多频段、多极化和多用途⑴。双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，因此在同一带宽内，天线可以发射两种信号，这有利于频率复用或者收发同时工作。在地面通信中实现极化分集，抗多径衰落；在卫星通信中实现收发极化隔离，实现地面/卫星通信双模工作，用于卫星通信与全球定位系统共用天线等。除了保证天线的频带宽度、增益、波束宽度以及前后比等指标外，需要特别考虑的是两个输入端的隔离以及每种极化的交叉极化电平。目前在移动通信中，多采用的是极化分集天线（+450/-45°极化），一般要求有30dB的隔离。双极化天线仅有高隔离性能还不够，还需要有一定的频带宽度。本文分析设计了一种带有单层馈电网络的双极化口径耦合贴片天线，具有足够高的隔离和很低的交叉极化电平。2设计方法贴片天线的口径耦合馈电方式是Pozar于1985年提出的［2］，由于它很好的克服了传统馈电方式微带天线的许多缺点（如同轴线引入一较大的电感、馈电网络的寄生辐射等），且具有一些独特的优点（如避免了在基片上打孔，便于制作，辐射单元和馈电网络可采用低介电常数的厚基片和高介电常数的薄基片以实现各自性能的优化，易实现阻抗匹配等），因此近年来人们对此研究较多［3］。文献1中给出一种十字槽耦合的双极化贴片天线，如图1所示，它只需一层馈电网络，结构简单，既有良好的隔离，又有较宽的频带。但是，这种结构的馈电网络不易实现良好匹配，通道1和2馈线之间的耦合不容易控制，调整繁琐⑷。为了减小通道1和通道2之间的耦合，通道1与槽之间采用金属化孔过渡，同时通道2馈电偏置，如图2所示，这样把通道1和2之间的耦合降到最低。中国科学院电子学研究所七室，100080，北京北京航空航天大学电子工程系，100083，北京为了实现较强的耦合，缝隙通常采用长方形窄缝。一般缝隙长度不宜太长，否则会导致强的背向辐射，使天线效率降低；但太短又不能保证足够的耦合程度，因此需折中考虑。选择缝隙长度小于半波长，这样天线的背向辐射较小，一般低于前向主瓣20dB左右。口径耦合馈电贴片天线易实现阻抗匹配，可调节的参数较多，包括贴片的长度和宽度，缝隙的长度和宽度，贴片层基片的介电常数和厚度以及馈电层基片的介电常数和厚度等。在设计过程中，首先根据微带贴片天线的基本理论进行初级设计，计算贴片尺寸，选择耦合缝隙的长度与宽度，以及馈线尺寸，根据结构要求确定天线辐射元与馈电网络之间的距离[5]。完成初步设计后，利用隐式时域有限差分法[6](ADI-FDTD)进行仿真，并根据结果调整参数，进行优化设计。算例利用前节的设计方法，分析设计了S波段的双极化贴片天线。首先对两个通道单独优化设计，然后组合，调整它们之间的隔离度，达到最佳。采用图1所示结构时，可调整参数较多，最后在中心频率处隔离度可达到30dB。为了提高隔离度，本文设计了结构如图2的双极化贴片天线单元，并利用ADI-FDTD软件进行优化设计，通道1和2的电压驻波比(VSWR)如图3所示，二者隔离度如图4所示。可以看出，天线工作带宽(VSWRvl.5)较宽，此频率范围内隔离度优于40dB，满足工程要求。结论设计了一种新型结构的口径耦合双极化贴片天线单元，隔离度优于40dB，具有较宽的频带宽度，满足工程要求。参考文献刘庭华，章文勋，TsangKF.双频/双极化贴片天线的研究进展.现代雷达[J]，1999,21(5):91〜99PozarDM.Amicrostripantennaaperturecoupledtoamicrostripline.ElectronicsLetter[J],1985,21:49~50高式昌，钟顺时.口径耦合微带天线的数值分析.上海大学学报(自然科学版)[J]，1998，4(6):668〜674郑京.S波段宽频带微带天线研制[D].北京联合大学信息系毕业设计论文，2001SilverS[美]著，江贤祚等译.微波天线理论与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，1989高文军.ADI-FDTD及其在平面电路及天线设计中的应用研究[D].北京航空航天大学博士学位论文，2001.9馈电介质图1带有单层馈电网络的双极化口径耦合贴片单元图2采用过孔过渡的双极化口径耦合贴片单元RWSV11.91.81.71.61.51.41.31.21.133.13.23.33.43.5f/GHz012345678f/GHz图3贴片天线（图2）计算结果：VSWR（虚线一一通道1,实线一一通道2）-25-30-35B-40d|-45S-50-55-60图4通道1与2之间的隔离度
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