現(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線提出了更高的要求,，不僅要求天線小型化,、重量輕、具有良好的隱蔽性和機(jī)動性,，同時為滿足收發(fā)一體化和大容量通信的需求,，還要求天線具有雙頻、雙極化及寬帶特性,。微帶天線具有體積小,、重量輕、平面結(jié)構(gòu),、能與載體共形,、饋電方式和極化形式多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，倍受人們青睞,。但微帶天線在帶寬,、雙頻和雙極化等方面的性能都難以適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求。目前,，國內(nèi)外進(jìn)行了展寬微帶天線的工作帶寬,、實(shí)現(xiàn)雙頻、雙極化工作的一系列研究并取得了一些成果[2-4],。研究中多采用多層貼片結(jié)構(gòu),，有效地增加了工作帶寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且匹配困難,，同時也增加了天線成本和調(diào)試難度,，限制了它在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。為了滿足現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求,，綜合運(yùn)用了口徑耦合饋電,、單層貼片結(jié)構(gòu)和引入空氣層等方式設(shè)計出一種工作在Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線單元，并在此單元的基礎(chǔ)上,，在饋電網(wǎng)絡(luò)部分運(yùn)用了錯位倒相技術(shù)設(shè)計出了2×2元微帶天線陣。用電磁仿真軟件CST2008對該天線陣進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了天線陣實(shí)物,。文中給出了實(shí)測和仿真結(jié)果,，兩者吻合較好。
1 天線單元的設(shè)計
　設(shè)計的天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,，圖1(a)為天線單元的側(cè)視圖,，圖1(b)為天線單元的俯視圖。天線的主體由三層介質(zhì)板組成,。方形輻射貼片倒置于第一層介質(zhì)板的下面,，這樣布置可使介質(zhì)板起到天線罩的作用。第二層介質(zhì)板上面是開縫接地板,，刻有一對H型縫隙成軸對稱結(jié)構(gòu),。為了實(shí)現(xiàn)良好的交叉極化和隔離度特性，2個H型縫隙呈T字型放置,。兩層介質(zhì)板之間由空氣層隔開,，引入空氣層以降低微帶天線 Q值，從而達(dá)到增加帶寬的目的,。第三層介質(zhì)板把實(shí)現(xiàn)雙極化的兩套饋電網(wǎng)絡(luò)隔開,，有利于網(wǎng)絡(luò)布線和提高隔離度。饋線由兩個相互正交的50 Ω微帶線組成,，微帶饋線均采用中心正饋的方式,，以增強(qiáng)輻射貼片與饋線之間的耦合。為了減少H型縫隙所引起的背向輻射,，在離接地板四分之一波長處加了一塊金屬反射板,，這也有利于提高天線的增益。輻射單元采用ε_r1=2.2,，h₁=1 mm的聚四氟乙烯板,，饋電介質(zhì)板采用ε_r2=ε_r3=3.38，h₂=h₃=0.305 mm的陶瓷碳?xì)浠旌衔锇濉?/p>

　根據(jù)口徑耦合微帶天線的傳輸線模型理論[5],，初步確定天線的幾何尺寸（包括貼片尺寸,、縫隙尺寸、饋線開路枝節(jié)的長度）,。天線單元的等效電路如圖2所示,。

a為天線單元長度，x₀為縫隙的位置,。
    諧振頻率主要由n12Ypatch+Ya p決定,。通過調(diào)節(jié)開路終端微帶饋線的長度和H型縫隙的尺寸、位置以及輻射貼片的大小來改善天線的阻抗匹配特性,，以形成雙頻諧振點(diǎn)和提高端口的頻帶寬度,。完成初步設(shè)計后，得到滿足電性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后用電磁仿真軟件對天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,，優(yōu)化后天線單元各參數(shù)如表1所示,。

2 天線陣列的設(shè)計
　2×2元微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)分布如圖3所示。饋電網(wǎng)絡(luò)采用并饋形式,，由多個 T 形功分器連接,，其中采用多節(jié)阻抗變換器進(jìn)行阻抗匹配以便展寬頻帶。設(shè)計中充分考慮了饋電網(wǎng)絡(luò)中不必要的輻射和損耗對天線增益帶來的影響[6-7],。為了抑制交叉極化[8],，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中應(yīng)用了錯位倒相技術(shù)。對于水平方向的相鄰貼片,，水平極化端口間采用等幅反相饋電,，垂直極化端口間則采用等幅同相饋電；對于垂直方向的相鄰貼片,，水平極化端口間采用等幅同相饋電,，而垂直極化端口間采用等幅反相饋電。這種饋電方式使得激勵的主極化輻射同向疊加,，交叉極化輻射反向抵消,，同時也改善了2個極化端口的隔離度[9]。天線陣陣元間距為17 mm（約0.7λ1,，中心頻率為12.3 GHz,；約0.8λ2，中心頻率為14.2 GHz）,。

3  天線陣仿真與實(shí)測結(jié)果
    基于以上設(shè)計,用電磁仿真軟件CST2008 對該天線陣進(jìn)行了電磁仿真和優(yōu)化,，仿真得到天線陣兩端口的駐波比如圖4所示，兩端口的隔離度如圖5所示,。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了四元天線陣實(shí)物模型如圖6所示,。

    使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線陣兩端口駐波比和隔離度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果分別如圖4,、圖5所示,。水平極化端口在11.21 GHz～13.47 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR≤1.5，相對阻抗帶寬為18.3%,；垂直極化端口在13.43 GHz～14.88 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR≤1.5,相對阻抗帶寬為10.24%,。在11 GHz～15 GHz整個頻帶范圍內(nèi)兩個極化端口的隔離度優(yōu)于35 dB。測試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好,，可見該天線陣具備良好的帶寬和雙頻特性,。
    最后，對天線陣的方向圖進(jìn)行了測量,。圖7給出了天線陣在水平極化端口12.3 GHz頻率處仿真與實(shí)測E面和H面遠(yuǎn)場方向圖,。圖8給出了天線陣在垂直極化端口14.2 GHz頻率處仿真與實(shí)測E面和H面遠(yuǎn)場方向圖,。在12.3 GHz頻率處,實(shí)測天線陣最大增益為13.3 dB，主瓣方向?yàn)樘炀€法線方向,。主瓣寬度E面約為33.8°,，H面約為35.4°，第一旁瓣電平為-13.6 dB,。在14.2 GHz頻率處，天線陣最大增益為11.9 dB, 主瓣寬度E面約為31.2°,，H面約為29.5°,，第一旁瓣電平為-10.9 dB。實(shí)測天線方向圖和仿真結(jié)果略有偏差,可能是因測試環(huán)境影響所致,。實(shí)測結(jié)果表明：該天線陣電性能和輻射特性良好,，并能滿足工程應(yīng)用要求。

    綜合運(yùn)用口徑耦合饋電,、錯位倒相饋網(wǎng)技術(shù)和單層微帶貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種用于衛(wèi)星通信的Ku波段寬帶雙頻雙極化四元微帶天線陣,。設(shè)計的雙頻雙極化天線陣水平極化端口在11.21 GHz～13.47 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR≤1.5,相對阻抗帶寬為18.3%；垂直極化端口在13.43 GHz～14.88 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR?燮1.5,相對阻抗帶寬為10.24%,。在11 GHz～15 GHz整個頻帶范圍內(nèi)兩個極化端口的隔離度優(yōu)于35 dB,，實(shí)測天線陣最大增益為13.3 dB, 測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好,，可作為高增益寬帶雙頻雙極化微帶天線陣組陣的子陣,，滿足其在衛(wèi)星通信、車載雷達(dá)通信和散射通信等領(lǐng)域的工程應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
[1]  PAZAR D M, SCHAUBERT D H. Microstrip antennas, the analysis and design of microstrip antennas and arrays. Piscataway, NJ:IEEE Press, 1995.
[2]  KIM Y, YUN W, YOON Y.Dual-frequency and dualpolarisation wideband microstrip antenna. Electronics Letters, 1999,35(17):1399-1340.
[3]  劉庭華, 章文勛. 雙頻/雙極化貼片天線的研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 1995,5(2):1.
[4]  GEORGIOS C M, UZUNOGLU N K. Design of a new dual-frequency and dual-polarization microstrip element.  IEEE Trans.Antennas and Propagation 2003：AP-47,1416-1420.
[5] GARG R, BHARTIA P, INDER B A. Ittipiboon microstrip     antenna design handbook. Norwood：Artech House Inc,  2001.
[6]  LERINE E A. Study of microstrip array antenna with the  feed network[J]. IEEE Trans, 1989, 7:426-433.
[7]  SABBAN A. A comprehensive study of losses inmm-wave  microstrip antenna arrays[C].//27th European, Microwave Conference and Exhibition. 1997:163-167.
[8]  WOELDERS K,，GRANHOLM J. Cross-polarization and sidelobe suppression in dual linear polarization antenna arrays[J]. IEEE Trans. Antennas and Propagat，1997,45(12): 1727-1740.
[9]  崔俊海,，鐘順時.一種新型雙極化口徑耦合微帶天線陣.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報,，2002,20(4):373-376.