應(yīng)用于方向回溯天線陣的分形雙極化天線分析

　1 引言
　　隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，迫切需要低成本、高增益，同時(shí)具有自動(dòng)波束跟蹤能力的新型天線的出現(xiàn)?；谙辔还曹椉夹g(shù)而提出的方向回溯天線（Retrodirective Antenna）能自動(dòng)發(fā)射來(lái)波的響應(yīng)信號(hào)（入射信號(hào)或者處理后的入射信號(hào)）到來(lái)波方向，而不需要來(lái)波方向的先驗(yàn)知識(shí)和復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。相對(duì)于傳統(tǒng)天線技術(shù)和通常的自適應(yīng)天線技術(shù)，方向回溯天線技術(shù)具有快速跟蹤的特性和更好的性價(jià)比，這一特點(diǎn)使得其在通信、射頻識(shí)別、共形天線、功率傳輸?shù)阮I(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　為了減少方向回溯天線陣元數(shù)目，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，方向回溯天線陣常采用雙極化天線。雙極化天線自身具有頻率復(fù)用、收發(fā)一體化、極化分集、提高系統(tǒng)靈敏度、極化捷變等特點(diǎn)。在方向回溯天線陣列系統(tǒng)中應(yīng)用雙極化天線收發(fā)一體化的特點(diǎn)，將一對(duì)正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，使得方向回溯天線在通信系統(tǒng)中發(fā)揮更好的作用。
　　雙極化天線饋電結(jié)構(gòu)形式多種多樣，通常采用的基本形式有：（1）共面饋電形式，分為角饋和邊饋兩種基本形式。共面饋電隔離度較差，一般只應(yīng)用于特定場(chǎng)合或者工程要求不高的情況下；（2）共面和口徑耦合相結(jié)合饋電形式。這種饋電方式可實(shí)現(xiàn)高隔離度，極化純度較高等優(yōu)點(diǎn)，但由于饋電在不同介質(zhì)層上，不易用于天線陣列的設(shè)計(jì)；（3）口徑耦合饋電形式。采用開C形或H形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)高隔離度雙極化天線，許多工作者采用這種饋電形式實(shí)現(xiàn)雙極化。
　　為提高天線工作帶寬和端口隔離度，本文采用了H形槽和電容加載H形槽相結(jié)合的口徑耦合饋電形式，輻射貼片采用二級(jí)Minkowski分形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種高隔離度分形雙極化微帶天線的設(shè)計(jì)，將其作為方向回溯天線陣列單元（工作頻率范圍4.4 GHz ~ 5 GHz）。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.1對(duì)該天線進(jìn)行電磁仿真，并加工實(shí)物，利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示VSWR＜2的相對(duì)阻抗帶寬H端口達(dá)到17.6 %，V端口達(dá)到20.5 %，雙端口隔離度大于35 dB，天線增益大于8 dB，前后比大于20 dB，仿真和測(cè)試結(jié)果均滿足方向回溯天線系統(tǒng)對(duì)天線單元的要求指標(biāo)。
　　2 天線設(shè)計(jì)
　　分形口徑耦合雙極化微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1（a）為天線側(cè)視圖，圖1（b）為天線的俯視圖。天線主要由兩層介質(zhì)板構(gòu)成，上層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯材料，輻射貼片刻蝕在上層介質(zhì)板的下表面，這樣上層介質(zhì)板可起到天線罩的作用加以保護(hù)。下層介質(zhì)板采用FR4材料，接地板和饋線分別位于下層介質(zhì)板的上下兩側(cè)，H形和加載H形槽開在接地板上且互相垂直。
　　兩層介質(zhì)板之間為空氣層，這相當(dāng)于將上層介質(zhì)板的厚度增加到原厚度與空氣間隙之和，因此降低了介質(zhì)板的平均相對(duì)介電常數(shù)，即降低了該微帶天線的Q值，從而達(dá)到了增大頻帶寬度的目的，同時(shí)也有助于提高天線的增益。
　　為了減小天線尺寸，天線輻射貼片采用二級(jí)Minkowski分形結(jié)構(gòu)，分形結(jié)構(gòu)改變了輻射貼片電流分布，使電流沿著曲折的導(dǎo)體面而非簡(jiǎn)單的幾何面分布，相當(dāng)于增加了電長(zhǎng)度，降低諧振頻率，因此可以減小天線尺寸。
　　為提高雙端口隔離度，該天線采用H形高隔離度口徑耦合形式。由于相互垂直的兩個(gè)H形開槽占有較大的面積，增加了天線尺寸，所以V端口采用H形開槽，H端口在H形槽的基礎(chǔ)上改進(jìn)為電容加載H形槽，即將H形開槽兩臂彎折，因此增加開槽臂長(zhǎng)度，提高端口隔離度。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)饋電開槽和輻射貼片開槽的尺寸長(zhǎng)度，可以改善輸入端口的阻抗特性，實(shí)現(xiàn)輻射貼片的寬頻諧振。