今日薦文
今日薦文的作者為上海交通大學電子工程系專家王堃， 金榮洪， 耿軍平， 梁仙靈， 李建平。 本篇節選自論文《一種寬頻毫米波圓極化微帶陣列天線的設計》，
摘 要：設計了一種緊湊饋電網路的寬頻毫米波圓極化微帶陣列天線， 採用縫隙耦合饋電的寬頻圓極化微帶天線單元和緊湊的S形曲線並聯等相差圓極化饋電網路構建了2×2的寬頻圓極化微帶陣列天線， 分析了各個參數對天線特性的影響， 獲得了較好的寬頻圓極化特性。 並以該2×2天線陣列為基本子陣， 通過並聯饋電網路擴展到4×4的寬頻圓極化微帶天線陣列。 實測和模擬結果基本一致， 實現了良好的寬頻圓極化特性。
引 言
近年來， 隨著毫米波技術的迅速發展， 其在衛星通信、星載雷達、高精度制導以及下一代5G移動通信等各個領域被廣泛應用。
毫米波微帶陣列天線已有相關文獻報導， 文獻[1]採用雙層介質基板， 通過縫隙耦合的並饋方式設計了一種工作在Ka波段的十六元微帶天線陣列， 獲得8%的阻抗頻寬；文獻[2]對工作在毫米波段的切角貼片單元採用了傾斜角度的饋線， 同時饋電網路採用串並結合的饋電方式。 改善了圓極化頻寬和阻抗頻寬， 分別達到了1.3%和4.7%；文獻[3]分別設計了4元和8元U型槽饋電的毫米波天線陣列， 饋電網路均採用並饋的方式， 有效阻抗頻寬分別為3.28%和3.85%；文獻[4] 設計了一種採用寄生貼片的交叉槽作為圓極化單元，
由於毫米波天線電尺寸很小， 天線陣列的饋電網路可用空間範圍很有限， 增加了設計難度且易出現耦合現象， 不易擴展為大型陣列。
1 天線單元
借鑒文獻[1]天線單元的設計思路， 此處採用縫隙耦合饋電的切角貼片實現方法來設計圓極化天線單元，
圖1 天線單元結構
表1 天線單元尺寸/mm
圖2 天線單元模擬結果
2 寬頻波束形成器的設計
2.1 2×2天線陣列設計
2.1.1 2×2天線陣列佈局
為了進一步提高天線增益，拓展頻寬，改善圓極化特性，將上節設計的圓極化天線單元順序旋轉構建2×2圓極化陣列，如圖3（a）所示。相應地四元陣列的圓極化饋電網路也要保證各天線單元埠饋電相位差90o，如圖3（b）所示。
由於採用順序旋轉90度的陣列佈局，天線陣列的饋電網路可用空間極其有限，設計緊湊高效的圓極化饋電網路是提高天線輻射效率的關鍵因素。
圖3 2×2天線陣列 （a）陣列佈局，（b）圓極化饋電網路，（c）天線陣列分解圖
2.1.2 緊湊、高效圓極化饋電網路設計
如圖3（b）所示，2×2天線陣列的饋電網路通過四條臂相差90o來改善圓極化純度。同時，充分利用四個單元所圍的空白區域設計饋電網路，來滿足小型化和結構緊湊的設計要求。
由於各埠間最小相差90o（對應電長度差四分之一波長），最大相差270o，對應電長度差二分之一波長，所以採用S形曲線結構實現並聯饋電，並保證相鄰天線單元的90o相差，四條臂埠 Point 1～Point 4的相位差通過微帶線路徑來補償，如圖4～5所示。
圖4 2×2陣列饋電網路
圖5 2×2陣列各埠相位差
另一方面，如圖4所示，S形曲線導致饋電網路中微帶線的最小空間距離大約0.15倍波長，極易引起微帶線間耦合。但是，在饋電網路中，如AB段與BC段，在宏觀上形成了半波長的U型結構，根據文獻[6]分析，這種U型微帶線結構可以很好的抑制耦合，甚至是十分之一波長的間距也可以實現較好的去耦合效果。此外，在圖4的饋電網路中，在A點，由於T型頭採用了直角轉彎結構，避免了與CD段的平行，也有抑制耦合的效果。
進一步的，通過與傳統的並饋網路組陣的天線陣列進行對比實驗，來驗證本文設計的圓極化饋電網路的高效和低耦合特性，圖4中四個埠Point 1、Point 2、Point 3和Point 4所表示的埠相位差如圖5所示。通過圖5表明本文設計的圓極化饋電網路具有良好的相位一致性。下面通過分別對比圖3和圖6的兩種不同饋電網路的特殊點的電場以及能量分佈，來說明本文設計的圓極化饋電網路的高效和低耦合的特性。圖4中點E、點F和圖6中的Point A、Point B工作在35GHz時的功率流密度和電場分佈的對比結果如圖7所示。
圖6 2×2圓極化傳統並饋網路陣列
如圖7（a）和（b）所示，F點的功率流密度大於B點的功率流密度，說明能量在EF段微帶線的傳輸效率高於AB段。另外，從圖7（c）和（d）可以看出，S型曲線饋電網路沿線電場分佈清晰，線間耦合重疊部分很小；但傳統並聯饋電網路的總輸入埠和點A部分耦合明顯，影響傳輸效率和相差。
（a）功率流密度
（b）功率流密度
（c）電場分佈
（d）電場分佈
圖7 兩種不同饋電網路分別在介質基板的功率流密度和電場分佈
此外，本文設計的2×2圓極化天線陣列在35GHz模擬得到陣列的法線方向的軸比為0.22dB，如圖8所示。說明電磁信號到達四個天線單元埠時幅值和90o相移的精度很高。如圖8所示，模擬得到的陣列增益13.48dBi和天線單元的增益對比可知，陣列口面比天線單元口面增加到4倍完全對應。這也說明，S形曲線的並聯等相差饋電網路有很好的輻射效率。兩種不同饋電網路的2×2圓極化天線陣列的回波損耗以及軸比的模擬結果如圖8和表2所示。
表2 兩種不同饋電網路的2×2圓極化天線陣列模擬對比
圖8 兩種不同饋電網路的2×2圓極化天線陣列的回波損耗以及軸比模擬結果
該2×2圓極化天線陣列的尺寸為 13.6mm×13.6mm，如圖3所示。天線單元等幅饋電，各陣元的相位差依次是0o、90o、180o、270o，可以很好的改善圓極化特性。陣元間距約是0.8λ，採用0.8λ既可以保證天線陣列實現高增益又可以避免天線組陣時出現柵瓣現象。
本文設計的圓極化S形曲線並聯饋電網路的結構簡單、緊湊、高效，與傳統的並聯型饋電網路線路和同類型的毫米波圓極化微帶陣列天線相比，該圓極化饋電網路結構更加簡單緊湊，饋線路徑較短，輻射單元和饋線之間的耦合效應較小，能量分佈均衡，可以顯著的降低饋線的損耗，提高天線陣列的增益和輻射效率。與其他同類型的微帶縫隙耦合天線，微帶陣列天線等相比較，本文設計的2×2微帶天線陣列在顯著提高增益和改善軸比頻寬的同時，具有設計簡單，結構緊湊，便於小型化和加工製作等優點，適合作為大型天線陣列的子陣。
（未完待續，參考文獻略）
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圖2 天線單元模擬結果
2 寬頻波束形成器的設計
2.1 2×2天線陣列設計
2.1.1 2×2天線陣列佈局
為了進一步提高天線增益，拓展頻寬，改善圓極化特性，將上節設計的圓極化天線單元順序旋轉構建2×2圓極化陣列，如圖3（a）所示。相應地四元陣列的圓極化饋電網路也要保證各天線單元埠饋電相位差90o，如圖3（b）所示。
由於採用順序旋轉90度的陣列佈局，天線陣列的饋電網路可用空間極其有限，設計緊湊高效的圓極化饋電網路是提高天線輻射效率的關鍵因素。
圖3 2×2天線陣列 （a）陣列佈局，（b）圓極化饋電網路，（c）天線陣列分解圖
2.1.2 緊湊、高效圓極化饋電網路設計
如圖3（b）所示，2×2天線陣列的饋電網路通過四條臂相差90o來改善圓極化純度。同時，充分利用四個單元所圍的空白區域設計饋電網路，來滿足小型化和結構緊湊的設計要求。
由於各埠間最小相差90o（對應電長度差四分之一波長），最大相差270o，對應電長度差二分之一波長，所以採用S形曲線結構實現並聯饋電，並保證相鄰天線單元的90o相差，四條臂埠 Point 1～Point 4的相位差通過微帶線路徑來補償，如圖4～5所示。
圖4 2×2陣列饋電網路
圖5 2×2陣列各埠相位差
另一方面，如圖4所示，S形曲線導致饋電網路中微帶線的最小空間距離大約0.15倍波長，極易引起微帶線間耦合。但是，在饋電網路中，如AB段與BC段，在宏觀上形成了半波長的U型結構，根據文獻[6]分析，這種U型微帶線結構可以很好的抑制耦合，甚至是十分之一波長的間距也可以實現較好的去耦合效果。此外，在圖4的饋電網路中，在A點，由於T型頭採用了直角轉彎結構，避免了與CD段的平行，也有抑制耦合的效果。
進一步的，通過與傳統的並饋網路組陣的天線陣列進行對比實驗，來驗證本文設計的圓極化饋電網路的高效和低耦合特性，圖4中四個埠Point 1、Point 2、Point 3和Point 4所表示的埠相位差如圖5所示。通過圖5表明本文設計的圓極化饋電網路具有良好的相位一致性。下面通過分別對比圖3和圖6的兩種不同饋電網路的特殊點的電場以及能量分佈，來說明本文設計的圓極化饋電網路的高效和低耦合的特性。圖4中點E、點F和圖6中的Point A、Point B工作在35GHz時的功率流密度和電場分佈的對比結果如圖7所示。
圖6 2×2圓極化傳統並饋網路陣列
如圖7（a）和（b）所示，F點的功率流密度大於B點的功率流密度，說明能量在EF段微帶線的傳輸效率高於AB段。另外，從圖7（c）和（d）可以看出，S型曲線饋電網路沿線電場分佈清晰，線間耦合重疊部分很小；但傳統並聯饋電網路的總輸入埠和點A部分耦合明顯，影響傳輸效率和相差。
（a）功率流密度
（b）功率流密度
（c）電場分佈
（d）電場分佈
圖7 兩種不同饋電網路分別在介質基板的功率流密度和電場分佈
此外，本文設計的2×2圓極化天線陣列在35GHz模擬得到陣列的法線方向的軸比為0.22dB，如圖8所示。說明電磁信號到達四個天線單元埠時幅值和90o相移的精度很高。如圖8所示，模擬得到的陣列增益13.48dBi和天線單元的增益對比可知，陣列口面比天線單元口面增加到4倍完全對應。這也說明，S形曲線的並聯等相差饋電網路有很好的輻射效率。兩種不同饋電網路的2×2圓極化天線陣列的回波損耗以及軸比的模擬結果如圖8和表2所示。
表2 兩種不同饋電網路的2×2圓極化天線陣列模擬對比
圖8 兩種不同饋電網路的2×2圓極化天線陣列的回波損耗以及軸比模擬結果
該2×2圓極化天線陣列的尺寸為 13.6mm×13.6mm，如圖3所示。天線單元等幅饋電，各陣元的相位差依次是0o、90o、180o、270o，可以很好的改善圓極化特性。陣元間距約是0.8λ，採用0.8λ既可以保證天線陣列實現高增益又可以避免天線組陣時出現柵瓣現象。
本文設計的圓極化S形曲線並聯饋電網路的結構簡單、緊湊、高效，與傳統的並聯型饋電網路線路和同類型的毫米波圓極化微帶陣列天線相比，該圓極化饋電網路結構更加簡單緊湊，饋線路徑較短，輻射單元和饋線之間的耦合效應較小，能量分佈均衡，可以顯著的降低饋線的損耗，提高天線陣列的增益和輻射效率。與其他同類型的微帶縫隙耦合天線，微帶陣列天線等相比較，本文設計的2×2微帶天線陣列在顯著提高增益和改善軸比頻寬的同時，具有設計簡單，結構緊湊，便於小型化和加工製作等優點，適合作為大型天線陣列的子陣。
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