双极化相控阵天线基本组阵单元的设计

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       随着无线通信技术的迅速发展，小型化、大容量的通信系统成为现在以至于为来的主要发展目标。由于双极化天线具有同频段的双通道通信、提高通信容量、实现双工操作、可以提高系统灵敏度、抗多径效应等性能，从而日益得到人们的青睐。由于微带贴片天线在馈电方式和极化制式的多样化，以及馈电网络、有源电路集成一体化等方面具有很多的优点，从而采用双极化天线成为提高通信容量的一种比较实际的做法。目前常用的双极化工作方式主要有两类，第一就是利用方贴片作为辐射单元，对方贴片天线采用正交边双馈电就能激励一对极化方向相互垂直的辐射波。第二就是利用不同层的天线阵列分别实现不同的极化，缺点是结构复杂，制作困难，造价高。我们采用在同一平面上实现两种极化方式，贴片单元的馈电方式却不用改变。本文就是设计实现了这种双极化微带天线阵列的组阵单元-4×4天线阵列。
0 w& q7 j" g' U% @　　1 微带天线阵列的设计
) C2 A  h/ P, Y  @　　本文采用的贴片天线的基本结构如图1所示，其中图（a）为天线结构，由贴片层、介质层和接地层组成。图（b）为微带贴片单元的基本结构。通过调整微带贴片单元的馈电方式就可以实现水平、垂直极化两种极化方式。图（c）为最基本的组阵单元2×2的结构图。
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1 Q! E8 q, E" _( V; b3 j# e, s　                                                                                   　图1 贴片天线的基本结构
5 m8 \/ P6 j' e　　设计过程中贴片层和接地层都采用铜，介质层采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880。根据天线工作的中心频率12.5GHz，微带贴片天线单元的长和宽、反馈部分的长宽、组阵单元之间的阻抗匹配以及其他相关数据都可以通过计算或者仿真优化得到。根据以上的计算及仿真数据，我们制成了天线的PCB板，4×4微带天线阵列的实物图如图2所示。
　　

　　                                                                             图2 4×4微带天线阵列的实物图
* ^# C) ~+ S1 y- p$ M　　2 微带天线阵列的仿真和测试结果
　　我们通过Ansoft HFSS仿真软件对天线阵列首先进行了仿真计算，图3为4×4微带天线阵列驻波和增益的仿真图。从左图的驻波仿真结果中，可以看到天线阵列在12.5GHz时的驻波为1.2左右;从右图的增益仿真结果中可以看到，天线阵列的增益可以达到20dB左右。然后将制成的PCB板拿到微波暗室中对其进行实际测试（暗室的长、宽、高分别为15m、9m和9m，用于测试的发送天线和接收天线的距离为10m，测试天线距离地面的高度为2.5m）。实际测试结果分别如图4、图5、图6所示。其中图4为天线阵列的驻波测试结果，图5为天线阵列分别在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz时的E面方向图。图4为天线阵列分别在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz时的H面方向图。表1为天线阵列在H面的实际测试数据。
　　

　　

" t1 |* H6 d$ R4 _- V- {8 e9 ?　　                                                                    图3 4×4微带天线阵列驻波和增益的仿真图
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- L! W( ^. X$ G7 {' H1 F& a　                                                                            　图4 4×4天线阵列的驻波实测图
" E0 R; R( d, |　                                                                          　表1 天线阵列在H面的实际测试数据。
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* i4 {; j0 t2 q; y: Y　                                                                                         图5 4×4天线阵列在12.25GHz、
　　                                                                                 12.5GHz、12.75GHz时的E面方向图。
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$ k  J2 X% t) f" j3 V( E1 M　　                                                                            图6 4×4天线阵列在12.25GHz、12.5GHz、
  y$ _3 j; J# w) ~$ ]% }( U8 v0 z　　                                                                                     12.75GHz时的H面方向图。
9 ]& S5 N& c2 g* n　　从实际测试结果中，我们可以看到12.5GHz时天线阵列的驻波小于2，中心点稍微有点偏移，实际的增益测试结果为19.24 dBi。实测结果与仿真结果之间虽然存在一定的差异，但是测试结果基本满足设计的需求。这些差异的存在可能是天线制版因素，测试环境、测试方案、电缆接头损耗等等实际状况引起，这是实际制作中不能避免的因素。
' B6 d- I% O/ D' |  j, i- h　　3 结论
　　本文设计的双极化相控阵天线基本组阵单元通过仿真、制作、加工和测试后，所得结果满足实际的设计需求。为我们在同一层面上实现双极化天线的设计打下了基础，为以后新型双极化相控阵天线的研究提供了可靠的理论和实践依据。

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由于双极化天线具有同频段的双通道通信、提高通信容量、实现双工操作、可以提高系统灵敏度、抗多径效应等性能，从而日益得到人们的青睐