摘要：通过采用口径耦合馈电技术、错位倒相馈网设计以及单层微带贴片结构，成功研制了一种适用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带四元天线阵。利用电磁仿真软件CST2008对天线阵的电性能进行了仿真分析，并在此基础上进行了优化处理。四元天线阵的实际测试数据表明，在11.21 GHz至13.47 GHz的频率区间内，水平极化端的反射系数VSWR不超过1.5，其相对阻抗的带宽达到了18.3%。而在13.43 GHz至14.88 GHz的频率区间内，垂直极化端的反射系数VSWR同样不超过1.5，其相对阻抗的带宽为10.24%。在工作频段内，两个端口之间的隔离性能，其关键词包括：宽频带特性；双频段与双极化设计；口径耦合技术；微带天线阵列。
现代卫星通信系统对天线性能的要求愈发严格，不仅需要天线实现小型化、减轻重量并具备良好的隐蔽性和机动性，而且还需满足收发一体化及大容量通信的需求，这就要求天线具备双频段、双极化以及宽带传输的能力。微带天线以其体积小巧、重量轻盈、平面结构、可与载体实现共形设计、馈电方式和极化形式丰富多样等众多优势，因而受到了广泛的喜爱。然而，微带天线在多个性能指标上，如带宽、双频段以及双极化特性，均难以满足现代卫星通信系统的需求。目前，无论是国内还是国外，研究者们都在努力拓展微带天线的带宽范围，并致力于实现双频段和双极化工作模式，相关研究已取得一定进展。在研究中普遍选用多层贴片式结构，这一设计显著提升了工作带宽kaiyun.ccm，然而，其结构设计复杂kaiyun全站网页版登录，匹配过程充满挑战，同时，也导致天线成本上升和调试难度增加，从而在一定程度上制约了其在卫星通信领域的应用前景。为了适应现代卫星通信系统的需求，我们采用了多种技术手段，包括口径耦合馈电技术、单层贴片结构以及空气层引入等方法，成功设计了一种工作于Ku波段的宽带双频双极化微带天线单元。在此基础上，我们在馈电网络部分进一步应用了错位倒相技术，最终研制出了2×2元的微带天线阵列。通过电磁仿真软件CST2008对天线阵列进行了仿真和优化处理，进而依据优化后的数据制作了相应的实物天线阵。在文中，对实测数据与仿真结果进行了对比，发现两者之间具有较高的一致性。
1 天线单元的设计
天线单元的设计结构如图1所示，图1(a)展示了其侧面视图，而图1(b)则呈现了其顶部视角。该天线主要由三层不同介质的板构成。在第一层介质板的下方，放置了一个方形辐射贴片，这种布局使得介质板能够发挥天线罩的功能。在第二层介质板上，覆盖着开有缝隙的接地板，该接地板上刻有一对呈轴对称的H型缝隙。为了确保优异的交叉极化和隔离性能，将两个H型缝隙以T字型布局。空气层将两层介质板分隔开来，其引入有助于降低微带天线的Q值，进而扩大带宽。第三层介质板则将实现双极化的馈电网络分隔，这有利于布线并提升隔离度。馈线由两根相互垂直的50Ω微带线构成，这些微带馈线均采用中心馈电模式，旨在加强辐射贴片与馈线间的相互作用。为了降低由H型缝隙引发的反向辐射，我们在接地板四分之一波长位置增设了一块金属反射板，此举亦有助于提升天线的增益水平。辐射单元选用了εr1等于2.2、h1为1毫米的聚四氟乙烯材料制成的板，而馈电介质板则采用了εr2和εr3均为3.38、h2和h3均为0.305毫米的陶瓷碳氢混合物材料制成的板。
依据口径耦合微带天线的传输线模型理论，我们首先确定了天线的几何参数，这包括贴片尺寸、缝隙尺寸以及馈线开路枝节的长度。天线单元的等效电路图如图2所示。
a为天线单元长度，x0为缝隙的位置。
谐振频率主要受n12Ypatch和Ya p的影响。我们可以通过调整开路终端微带馈线的长度、H型缝隙的尺寸、位置以及辐射贴片的大小，来优化天线的阻抗匹配特性。这样做可以形成双频谐振点，并扩大端口的频带宽度。在完成初步设计阶段，我们确定了符合电性能要求的结构参数，随后，借助电磁仿真工具对天线的设计参数进行了细致的优化，经过优化，天线单元的各项参数详见表1。
2 天线阵列的设计
图3展示了2×2元微带天线阵的馈电网络布局。该网络采用并联馈电方式，由众多T形功分器相互连接而成。为了实现阻抗匹配并拓宽频带，设计时引入了多节阻抗变换器。在设计中，我们充分考虑到馈电网络中可能产生的无谓辐射和损耗，这些因素会对天线增益产生不利影响。此外，为了抑制交叉极化现象，我们在馈电网络的设计中运用了错位倒相技术。相邻贴片在水平方向上，水平极化端口之间实行等幅反相供电，而垂直极化端口之间则实行等幅同相供电；至于垂直方向上的相邻贴片，水平极化端口之间则实行等幅同相供电，垂直极化端口之间则采用等幅反相供电。这种供电模式使得主极化辐射的激励能够同向叠加，交叉极化辐射得以反向抵消，并且还提升了两个极化端口之间的隔离效果。该天线阵列的单元间距离设定为17毫米，这一距离相当于中心频率为12.3 GHz时的约0.7倍波长λ1，同样地，在中心频率为14.2 GHz时，它又相当于约0.8倍波长λ2。
3 天线阵仿真与实测结果
依据前述设计方案，我们运用电磁仿真软件CST2008对天线阵列进行了电磁仿真及调整，仿真结果显示，天线阵列两端的驻波比情况如图4所示，而两端口的隔离度信息则如图5呈现。据此优化结果，我们制作了四元天线阵列的实物模型，如图6所示。
采用Agilent N5230A型号的矢量网络分析仪对天线阵列的输入输出端口进行了驻波比及隔离度的测量，所得数据详见图4与图5。水平极化端口在11.21 GHz至13.47 GHz的频段内，其VSWR值不超过1.5，相对阻抗带宽达到了18.3%。而垂直极化端口云开·全站体育app登录，在13.43 GHz至14.88 GHz的频段内，同样保持VSWR≤1.5，相对阻抗带宽为10.24%。在整个11 GHz至15 GHz的频带内，两个极化端口的隔离度均超过35 dB。测试结果与仿真数据高度一致，这充分表明该天线阵列展现了优异的频带覆盖能力和双频段工作特性。
最终，对天线阵列的指向特性进行了测试。图7展示了该阵列在水平极化状态下，于12.3 GHz频率点的仿真结果与实际测量得到的E面和H面远场方向图。图8则呈现了该阵列在垂直极化状态下，于14.2 GHz频率点的仿真结果与实际测量得到的E面和H面远场方向图。在12.3 GHz频率点，实际测得的天线阵列最大增益达到了13.3分贝，其主瓣指向与天线法线方向一致。E面的主瓣宽度大约是33.8度，而H面的宽度则大约为35.4度，同时，第一旁瓣的电平降至-13.6分贝。当频率达到14.2吉赫兹时，天线阵列展现出的最大增益约为11.9分贝，此时E面的主瓣宽度约为31.2度，H面约为29.5度，第一旁瓣电平为-10.9分贝。然而，实际测得的天线方向图与仿真结果存在一定的差异，这或许是由于测试环境所造成的影响。实际测试数据显示，该天线阵列的电性能表现优异，辐射特性同样出色，完全符合工程应用的标准要求。
采用口径耦合馈电技术、错位倒相馈网技术以及单层微带贴片结构设计，成功研发了一种适用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化四元微带天线阵。该天线阵列的双频双极化设计在11.21 GHz至13.47 GHz的频率区间内，其水平极化端口的电压驻波比（VSWR）不超过1.5，相对阻抗带宽达到了18.3%；而在13.43 GHz至14.88 GHz的频率区间内，垂直极化端口的VSWR同样小于1.5，相对阻抗带宽为10.24%。该天线阵在11 GHz至15 GHz的频段内，两个极化端的隔离度均超过35 dB，实际测得的最大增益达到了13.3 dB，测试数据与仿真结果高度一致。该天线阵的电性能和辐射特性表现优异，完全能够作为高增益宽带双频双极化微带天线阵组阵的子阵使用，适用于卫星通信、车载雷达通信以及散射通信等多个领域的工程需求。
