C波段宽带双线极化微带天线的设计
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摘 要： 设计一种工作在C波段（5.15-5.825GHz）的新型的双线极化高隔离度微带振子天线，主要应用于短距离的移动通信。天线单元采用双“H”缝隙地板、合理的振子排列方式及微带线馈电方式，通过HFSS软件的优化仿真，得到很好的结果，并组成2×2面阵，在整个频段内驻波比小于2，隔离度大于30dB，在中心频率5.54GHz时，E面最大辐射方向的增益为8.9dB；H面最大辐射方向的增益为11.2dB。该天线体积小，有利于小型化和集成化。
关键词： HFSS；C波段；双线极化；高隔离度
中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220070－02
0 引言
双极化微带天线由于具有频率复用、收发一体化、极化分集、极化捷变、强抗干扰和高灵敏度等优点而被广泛应用。本文提出了一种新型的微带振子天线的设计思想和方法，在获得较宽的工作频带的同时，提高了两端口的极化隔离度。在5.15Ghz-5.825Ghz的工作带宽内，天线的驻波比均符合工作要求，两极化端口隔离度大于30dB，测试结果与仿真结果较吻合。
1 双线极化天线设计
天线单元设计：如图1所示为矩形片状对称振子天线模型，长度为L，宽度为W，利用多阶阻抗变换增大带宽，长度分别为l1、l2、l3，相对应的宽度分别为W、w1、w2。该贴片处于介质板的上层，介质板的下层为60mm×50mm的矩形地面，介质板为FR-4，高度h=1.0mm，相对介电常数εr=4.4，天线单元结构如图2（a）所示。地板结构如图2（b）所示，两个相互垂直的“H”形槽，一个“H”形槽的中央臂和另一“H”行槽的馈线相平行，此“H”形槽并不从另一馈线端口耦合能量，这将有利于降低两馈线间的互相耦合，提高微带天线的隔离度。馈线采用50Ω微带线，从振子中心处使用微带线馈电，“H”形槽结构的尺寸大小如下图所示，可调节“H”形槽的长度与宽度的值使天线的阻抗达到匹配。
2×2天线阵列设计：辐射单元的间距设计应考虑波束宽度的要求，辐射元与馈线间应有适当的间距和阵元的间距小于一个波长以避免栅瓣的产生。综合以上几点确定阵元间距为3λ/4=12mm。所以得到天线尺寸为：140mm×120mm，高度为1.0mm。2×2面阵结构模型如图3所示，馈电网络如图4所示。
2 仿真优化后的尺寸与结果分析
通过对振子单元大小、地板缝隙尺寸、振子间距以及微带线宽度等参数进行优化仿真，使天线单元辐射频带宽度，两端口极化隔离度以及交叉极化电平均达到设计要求，优化后的参数如表1所示。
2.1 仿真结果
图5（a）为天线单元回波损耗仿真图，S11
2.2 阵列天线加工与测试
按照阵列天线的最优化参数进行加工，介质板采用介电常数为4.4，厚度为1.0mm的FR-4介质板，加工好的阵列天线实物如图9所示：
由于自身加工精度问题，所以加工的天线阵列与仿真表现出来的回波损耗存在一些偏差。阵列的反面为带有四个“H”缝隙的地板与50Ω的SMA接头，由于条件限制，下面只对天线阵列的回波损耗进行了测试，通过网络分析仪对该阵列天线的回波损耗进行测量，测得回波损耗如图10所示：
从图4.18的回波损耗测试图可以看出，在5.15GHz到5.825GHz内，两端口的回波损耗均能达到-10dB以下，满足工程要求。
3 结论
本文设计了一款微带线侧馈的小型双极化微带天线。利用电磁仿真软件HFSS对天线进行优化设计，并进行了相应的实物制作和测试。实验结果表明：该天线工作频率宽带为5.15-5.825GHz，两端口极化隔离度达到30dB以上，增益均达8dB以上，可应用于短距离的移动通信中。
参考文献：
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