基于金属环与缝隙环的双极化天线设计

双极化天线可用于接收不同极化的电磁波，用来估计入射电磁波的极化与DOA等信息。因此双极化天线广泛地应用于雷达系统对目标进行检测、定位和跟踪，其中电磁波的极化信息还可用于目标识别。在雷达系统中大型相控阵天线系统需要几十个甚至几百个双极化天线单元，因此会严格控制每个天线元件的成本以及结构复杂度。然而，简单的天线结构及紧凑的馈电网络与低成本通常不能同时实现[1-2]。因此，结构简单和低成本的双极化天线在大型相控阵天线中更具竞争力。

偶极子天线是实现双极化天线的一种常用线性极化天线。与线形偶极天线相比，方形环偶极天线有更宽的阻抗带宽[3]。与小环形天线相比，大环形天线具有较好的辐射电阻[4]。环形天线作为磁偶极子，可以实现水平极化和全向辐射，被广泛用做基站天线[5]。利用交错耦合线可使电流在圆环上保持均匀同向，进而产生全向辐射图，没有交错耦合线的电流在圆环上不均匀且有相移，电流在圆环的顶边和底边方向相同，所以最大辐射方向为圆环的法线方向。对于雷达系统中的相控阵天线，每个天线单元通常需要在天线法向面辐射。因此，在金属环路两侧提供同相电流的大型金属环形天线可以满足相控阵天线要求。所以，偶极子金属环形天线或单极子金属环形天线可作为实现双极化天线中其中一个极化方向的天线[6]。

金属环形天线是在双极化天线中实现一个极化方向的良好选择，所以与金属环形天线互补的环形缝隙天线也可以用于实现另一个极化方向。此外环形缝隙天线被广泛应用于线极化天线[7]、圆极化天线[8]、甚至极化可重构天线[9]。通过控制环形缝隙天线的馈电网络可以产生不同的极化，馈线变化或缝隙变化可以改变环形环缝隙天线的极化和工作频率[10]，本文中将环形缝隙作为磁流辐射器来实现双极化天线。

本文提出了基于金属环形天线和缝隙环形天线的双极化天线，其中金属环形天线由同轴探针馈电，缝隙环形天线由微带线激励。具有互补结构的金属环天线与缝隙环天线可产生相似天线辐射图，与采用不同天线形式来实现双极化天线的结构相比，采用互补结构具有更好的辐射性能。天线通过利用位于天线下方的金属反射器获得单向辐射图。金属环与缝隙环天线结构简单且馈电网络简洁，降低了制造复杂性和天线成本，因此该双极化天线适合作为大型相位阵天线的天线阵元。

1 天线结构和设计

1.1 天线结构

本文所提出的双极化天线结构如图1所示，天线共有3层，其中在顶层蚀刻出环形槽，在中间层印刷金属环，底层为金属板反射器以实现天线单向辐射。顶层和中间层中使用介质板为RT5880，其中介电常数为2.2，厚度为1.00 mm。位于最底层金属板四角处有4个短接针，探针将顶层地板和金属反射器相连。顶层的环形缝隙由微带线馈电，中间层的金属环由同轴探针激励。缝隙环可以被认为是磁流辐射器，金属环可以被认为是电流辐射器。2个辐射器均是线极化天线，并且通过从正交端口激励从而具有正交极化形式。因此，通过2个线性极化的环缝隙天线和金属环天线一起构成了双极化天线。

图1 天线结构示意图
Fig.1 Antenna configuration with detached antenna structure

详细的天线结构和尺寸如图2所示。在图2（a）中，缝隙环和金属环之间的距离为h1=6 mm，金属环和金属反射器之间的距离为h2=8.00 mm。在顶层和中间层的正方形介质板具有相同的长度l=28.00 mm，金属反射器长度为lr=45.00 mm。两个线极化天线都通过同轴探针激励，不同之处在于金属环直接连接到同轴探针，而缝隙环由连接到同轴探针的微带线激励。如图2（c）所示，半径为 Rl=9.00 mm和宽度为wl=0.70 mm的金属环是开路（间隙宽度为wc=1.00 mm），用来扩展天线阻抗带宽，金属环天线作为单极天线工作，并且利用位于天线平面下方的金属反射器来获得单向辐射方向图。双极化天线的另外一个极化采用金属环形天线的互补环形隙缝天线来实现，半径为Rs=6.60 mm，宽度为ws=2.50 mm，缝隙通过长度为lm=10.00 mm，宽度为1 mm的微带线馈电。顶层地板通过4个具有半径Rc=1.25 mm的短路针短接到底层金属反射器。同样，隙缝环天线也通过金属反射器获得单向辐射方向图。

图2 天线的详细结构和参数图
Fig.2 Antenna detailed structure and parameters

1.2 天线参数分析

在本节中使用电磁仿真软件CST Microwave Studio来研究所提出天线的关键参数。该天线中利用4个短路探针来改善隙缝环天线的阻抗匹配和带宽。在图3中显示了3种天线支撑柱形式，其中在图3（a）中为短路探针，即地板与金属反射器短路相连，在图3（b）中没有支撑柱，在图3（c）中使用了FR4（介电常数2.2）作为支撑柱。

图3 不同天线结构图
Fig.3 Antenna models

所提出的天线在这3种情况下的反射系数和隔离度如图4所示。从图4中可以看出，短路探针可以扩展端口2的阻抗带宽，并明显改善低频下的天线性能。同时，它们还将端口1的工作频率降低到到较低频带。且端口1和端口2之间的隔离受短路探针影响较小。

图4 S参数的仿真结果
Fig.4 Simulation resluts of S parameters

除了使用短路探针这种方法以外，切断金属环也可以改善天线的阻抗带宽。当金属环形天线处于切断或未切断状态时，所提出的天线的反射系数和隔离度如图5所示。

图5 S参数的仿真结果
Fig.5 Simulation resluts of S parameters

注意到在图5中，切割金属环可明显改善端口2的反射系数，同时几乎不影响端口1的反射系数。借助于分析金属环路上的电流可以解释这一现象。在5 GHz的金属环路上的电流分布如图6所示。从图中可以看出，在馈电点相对的金属环上几乎没有电流。因此，切断金属环对端口1的反射系数几乎没有影响。

图6 在频率为5 GHz的金属环路上的电流仿真结果
Fig.6 Simulation resluts of electric current on meatllic loop at 5 GHz

2 仿真结果

利用天线参数优化结果，得到的双极化天线 S参数仿真结果如图7所示。金属环天线（端口1）的反射系数从4.87 GHz～5.10 GHz均低于-10 dB，所以金属环天线的阻抗带宽为4.61%。然而，隙缝环天线显然具有从4.47 GHz～5.40 GHz的18.84%阻抗带宽。两个端口之间的隔离在整个工作频带中高于20 dB，并且可以通过修改短路探针或修改环形缝隙两端口隔离度。

图7 所提出双极化天线的仿真结果
Fig.7 Simulation resluts of proposed dual polarized antenna

金属环天线在4.90 GHz，5.00 GHz和5.10 GHz的天线增益分别为 6.16 dBi，6.10 dBi和 6.09 dBi。上述频率处的缝隙环天线的增益分别为7.01 dBi，7.30 dBi和7.52 dBi。金属环和缝隙环天线在5 GHz的辐射方向图如图8所示。在xoz平面和yoz平面中，金属环5 GHz的3 dB波束宽度为83.7°和56.5°，缝隙环的3 dB波束宽度为57.5°和76.2°。所提出天线的方向图前后比（F/B）较低，可以进一步通过增加反射腔来改进。

图8 天线辐射方向图仿真结果
Fig.8 Simulation resluts of antenna radiation patterns

3 结语

本文提出一种互补金属环和缝隙环低成本双极化天线，并讨论了影响天线性能的关键参数。金属环与缝隙环分别为电流辐射器与磁流辐射器，为互补结构。通过增加短路探针明显改善了缝隙环天线的阻抗带宽且不影响金属环天线的阻抗性能。所研究的天线工作在4.87 GHz～5.10 GHz的频率范围，可应用于双极化相阵天线系统。