一種新型雙極化天線的設計
自從20世紀30年代后期出現(xiàn)的相控陣技術被應用于軍用雷達系統(tǒng)以來，相控陣天線系統(tǒng)已經(jīng)顯示出它在體積、重量、反應速度、功耗、適用范圍等方面的優(yōu)點，并引起了衛(wèi)星移動通信、政府應急部門系統(tǒng)等民用方面關注。近年來，由于雙極化天線具有同頻段的雙通道通信、提高通信容量、實現(xiàn)雙工操作、可以提高系統(tǒng)靈敏度、抗多徑效應等性能，從而日益得到人們的青睞。目前采用的雙極化天線可以實現(xiàn)垂直與水平極化、±45°極化和左、右圓極化三種相互正交的極化方式的組合。本文將介紹一種新型的水平極化和垂直極化相結合的雙極化天線方式。
1雙極化天線的設計
目前采用的雙極化天線主要采用雙層或多層電路來實現(xiàn)，通過不同層的天線陣分別實現(xiàn)不同的極化。本設計采用的相控陣天線可以在同一層面上實現(xiàn)雙極化，只要通過調(diào)整微帶貼片單元的饋電方式就可以實現(xiàn)水平極化和垂直極化兩種極化方式，從而實現(xiàn)雙極化。采用這種新型的雙極化天線可以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的矢量接收，在移動載體通信系統(tǒng)中顯示其獨特的優(yōu)越性。
本文采用的雙極化天線結構如圖1所示，其中（a）為天線結構，它由貼片層、介質(zhì)層和接地層組成。圖（b）為微帶貼片單元的基本結構。通過調(diào)整微帶貼片單元就可以實現(xiàn)水平極化和垂直極化兩種極化方式。它位于貼片層上，通過不同的饋電方式可以實現(xiàn)水平極化和垂直極化兩種極化方式。
圖1雙極化天線的結構
本文根據(jù)設計指標及使用要求設計的雙極化天線基本單元結構圖如圖2所示，這種結構可以實現(xiàn)天線某一個方向的線極化。本文采用的雙極化天線陣中每個天線單元都只有一個極化方向，只要通過調(diào)整每個天線基本單元的饋電方式就可以在同一層上實現(xiàn)雙極化。
圖2雙極化天線基本單元結構圖
2雙極化天線的實現(xiàn)
本文采用的天線陣列與傳統(tǒng)的單線極化天線相比，可以接收到其無法接收的信號，與單圓極化天線可以提高3dB的增益。與現(xiàn)有的雙極化天線相比結構簡單、容易實現(xiàn)，可以大大降低相控陣天線的成本。根據(jù)以上所介紹的天線原理，我們按照兩種極化方式相互交叉排列的方式組成了新型的雙極化天線，天線實物如圖3所示。
圖3雙極化天線實物圖
3天線陣列的微波暗室測試結果
我們在微波暗室中對所設計的4×4微帶天線陣列進行了實際測試。微波暗室的長、寬、高分別為15m、9m和9m，用于測試的發(fā)送天線和接收天線的距離為10m，測試天線距離地面的高度為2.5m。圖4為天線陣列在12.5GHz時的V面方向圖。圖5分別為天線陣列在12.5GHz時的H面方向圖。
圖4天線陣列在12.5GHz時的V面方向圖
圖5天線陣列在12.5GHz時的H面方向圖
從以上兩圖中我們可以看到，天線方向圖關于主瓣最大值基本對稱。表1給出了天線陣列在H面的實際測試數(shù)據(jù)。圖6給出了天線陣列的駐波測試圖。在12.25～12.75GHz范圍內(nèi)，天線的實測駐波小于2.0。
表1微帶天線陣列在H面的實測數(shù)據(jù)
極化 | V | ||
頻率(GHz) | 12.25 | 12.5 | 12.75 |
半功率角(°) | 3.9416 | 3.7895 | 3.6874 |
旁瓣(dB) | -12.64 | -12.48 | -13.03 |
極化 | H | ||
頻率(GHz) | 12.25 | 12.25 | 12.25 |
半功率角(°) | 3.8299 | 3.8299 | 3.8299 |
旁瓣(dB) | -11.21 | -11.21 | -11.21 |
電壓駐波比 | 1.85@12.5GHz | ||
圖6雙極化天線的駐波測試圖
4結論
本文主要介紹了一種雙極化天線的新型設計方案及實際測試結果。本設計通過調(diào)整最基本的貼片單元的饋電方式來實現(xiàn)天線的雙計劃設計，實現(xiàn)了復雜問題的簡單化處理。最后設計的實物測試數(shù)據(jù)與仿真結果基本吻合，符合了設計的需求。本設計實現(xiàn)的雙極化天線結構簡單，重量輕，使用方便，接收效率也比較高。為未來相控陣天線的發(fā)展提出了新的嘗試方案，對雙極化天線的設計將產(chǎn)生一定的影響和推動作用。
