S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线设计

0
-10
Return Loss (dB)
-20 Measured (2-layered) Simulated (2-layered) Simulated (1-layered)
-30
图 1(a) 单层平面 Balun 偶极子天线结构
-40 2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Frequency (GHz)
1
引言
随着电子对抗技术的发展， 相控阵雷达
点而得到广泛的研究和应用
[1，2]
。频带窄是
普通印刷偶极子天线的主要缺点 ,目前已有 许多途径来展宽这类天线的频带， 如双面偶 极子天线 ，平面 Balun 偶极子天线 等。 但是这些天线虽然频带性能好 , 但交叉极 化严重, 辐射特性受损。 本文提出一种新型宽带低交叉极化印 刷偶极子天线，该天线采用双层平面 Balun 偶极子结构， 不仅具有平面 Balun 偶极子天 线的宽频带特性， 同时降低天线交叉极化电 平。 使用该双层平面 Balun 偶极子天线单元
S 波段宽带低交叉极化 印刷偶极子阵列天线设计
周占伟 杨仕文 聂在平
（电子科技大学，四川 成都，610054 ） 摘 要:设计出一种新型宽带低交叉极化印刷偶极子天线，该天线采用双层平面 Balun 偶极子 结构，不仅具有平面 Balun 偶极子的宽频带特性，同时降低天线交叉极化电平。使用该天线单元设 计制作 S 波段 16 元线阵，测试结果表明，阵列天线工作带宽达到 50%，交叉极化电平小于-43dB。 实验结果验证了该天线阵的宽带低交叉极化特性。 关键词: 印刷偶极子, 宽带, 低交叉极化, 阵列天线
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -180
H-copol H-xpol E-copol E-xpol
Return Loss (dB)
0 dipole 1 dipole 3 dipole 5 dipole 7
-10
-20
-30
-135
-90
-45
0 (deg)
45
90
135
180
-40 2.5
Design of an S-band broadband low cross-polarization printed dipole array antenna
ZHOU Zhan-wei YANG Shi-wen NIE Zai-ping
(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Sichuan 610054, China. E-mail: swnyang@)
[3] [4]
已成为现代雷达装备的主流。 为有效对付严 重电子干扰和 ARM（反雷达导弹），通常采 取降低天线副瓣电平和增加天线工作带宽 的方法，来提高相控阵雷达抗干扰性能。因 此设计天线单元不仅要具有宽频带特性同 时必需为低交叉极化天线， 否则严重的交叉 极化将使主极化的低副瓣本身失去意义。 印刷偶极子天线具有剖面薄、重量轻、 体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优
3
阵元数值仿真与测试结果
设计并制作中心频率为 3.25GHz 的双
层平面 Balun 偶极子天线，利用仿真软件 HFSS 优化天线设计尺寸参数，根据仿真优 化结果制作试验模型。 天线单元选用介质材 料 NY9220，其相对介电常数为 r 2.2 ， 介质板的厚度为 d = 0.7874mm， 接地板采用 金属铝板，尺寸为 240mm×240mm×4mm。 天线基本参数优化结果为， 偶极子天线振子 臂总长度 L =36.4mm，宽度 W =1.0mm；槽 线深度 h =13.5mm，宽度 d =1mm；偶极子 天线振子臂离金属反射板高度 D =24mm。 图 2 所示分别为单层平面 Balun 偶极 子，双层平面 Balun 偶极子天线仿真及双层 平面 Balun 偶极子天线实测反射系数 S11 。 图中表明双层偶极子天线反射系数 S11 小于 -10dB 的频率范围为 2.6GHz～4.3GHz， 工作 带宽达到 50％， 而单层平面 Balun 偶极子天 线的带宽仅为 28％， 对比可知天线带宽增加 20％以上。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（60571023） 、电子科技大学创新团队支持计划。
设计制作 S 波段 16 元偶极子线阵，测试结 果表明，该天线阵具有宽带低交叉极化特 性，阵列天线工作带宽达到 50%，交叉极化 电平小于-43dB，实测增益达 16.5 dBi。
2
ct：A novel broadband printed dipole antenna with low cross-polarization is proposed in this paper. The antenna employs a double-layered printed dipole with integrated balun structure, which retains the broadband characteristics while reducing the cross-polarization level. An S-band 16-element printed dipole array antenna is then formed, and the measured results indicate that the bandwidth of the array is up to 50%, while the cross-polarization level is less than -43dB. Measurement results verified the broadband and low cross-polarization property of the antenna array. Key words：Printed dipole, broadband, low cross-polarization, array antenna
0
-10
Normalized Power (dB)
3.25GHz H-copol 3.25GHz H-xpol
-20
-30
-40
-50 -90
-60
-30
0
(deg)
30
60
90
图 7 实测阵列天线 H 面方向图
5
结论
本文基于对单层平面 Balun 偶极子天线
结构的改进， 设计出一种新型宽带低交叉极 化印刷偶极子天线，该天线采用双层平面 Balun 偶极子结构，不仅具有平面 Balun 偶 极子的宽频带特性， 同时降低天线交叉极化 电平。使用该天线单元设计制作 S 波段 16 元偶极子线阵，测试结果表明，该阵列天线 工作带宽达到 50% ，交叉极化电平小于 -43dB，增益达 16.5 dBi。
-135 -90 -45 0 45 (deg) 90 135 180
图6所示，由图可以看出在2.6GHz～4.3GHz 频 带 范 围 内 S11 均 小 于 -10dB ， 带 宽 达 到 50% 。可见该阵列天线具有很宽的工作频 带。
图 3 双层平面 Balun 偶极子天线仿真方向图
0
Normalized Power (dB)
图 2 天线反射系数 S11
图3，图4分别为双层平面Balun偶极子 天线仿真和实测方向图。通过比较可以看 出，实际测试得到的 E面和H面主极化方向 图和仿真得到的方向图基本一致，E面主瓣 宽度约为60°， H面约为100°。 但交叉极化 电平仿真和测试结果却有所偏差， 仿真结果 交叉极化电平小于-42dB，而测试结果交叉 极化电平小于-31dB。这主要是由于所使用 较为简易的微波暗室测试环境影响所致。 实 测时 , 由于被测天线在测试转台上的架设 误差以及实测时天线背面一些支撑机械结 构的影响 , 加之对于如此低交叉极化分量 的测试时微波暗室背景电平的影响， 使得图 中交叉极化实测的数据结果与理论偏差较 大。
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -180
Normalized Power (dB)
H-copol H-xpol E-copol E-xpol
图 5 阵列天线照片
4.2 阵列天线的测试 阵列天线中各天线单元的反射系数 S11 用矢量网络分析仪进行测量，单元1、3、5、 7 等四个偶极子的反射系数 S11 测量结果如
3.0
3.5 Frequency (GHz)
4.0
4.5
图 4 双层平面 Balun 偶极子天线实测方向图
图 6 实测阵列中单元反射系数 S11
阵列天线方向图的测量， 采用了室外远 场测量技术，测试时的最小测试距离为 d＞ 2D2/λ, 其中 D 为待测天线的口径直径， d为 待测天线和辅助天线之间的距离， λ 为中心 频率自由空间波长。 计算可得最小测试距离 为 19m。现有微波暗室不满足远场测试条 件，测试场地选在楼顶，架高天线，并在待 测天线与辅助天线之间铺设吸波材料， 以减 少干扰，提高测量的准确程度。 图 7 中给出中心频率点 3.25GHz H 面主 极化和交叉极化方向图。 由图可知天线方向 图的主瓣宽度约为 10°， 第一副瓣电平小于 -15dB，交叉极化电平小于-43dB。可见，经 组阵后的阵列天线具有很低的交叉极化分 量。此外，用比较法测得该 16 元阵列天线 增益为 16.5 dBi。
bandwidth,” IEE Proc. Microw. Antennas Propagat., vol. 135, pp.54-59, Feb. 1988. [4] B. Edward, and D. Rees, “A broad-band printed dipole with integrated balun,” Microwave J., pp.339-344, May 1987.