角馈方形贴片微带天线交叉极化抑制方法研究

第33卷第2期2019年4月空军预警学院学报Journal of Air Force Early Warning Academy V ol.33No.2Apr.2019收稿日期：2018-11-20

作者简介：吴峻岩(1991-)，男，硕士，主要从事射频与天线技术研究．

吴峻岩1，2，牛全民2，张丰2，刘欣3

（1.93841部队，乌鲁木齐830075；2.空军预警学院武汉430019；3.93277部队，沈阳110141）

摘要：鉴于串联馈电的角馈方形微带贴片天线在设计时易产生交叉极化现象，严重影响阵列天线的辐射性

能，以角馈方形微带贴片作为天线阵阵元，设计了一种泰勒分布的低副瓣线阵天线．首先分析了角馈方形微带贴片交叉极化现象，然后提出运用开槽法和增加馈电段法来抑制交叉极化，最后给出了仿真和实测结果．实测结果表明，开槽法和增加馈电段法有效抑制了交叉极化，降低了对主极化方向图的影响，天线具有较好的辐射性能．

关键词：角馈；方形贴片；微带天线；交叉极化；开槽法；增加馈电段法

中图分类号：TN823+.27；TN957.2文献标识码：A 文章编号：2095-5839(2019)02-0093-05

角馈方形微带贴片天线具有高阻抗、易馈电的特点[1]，其结构紧凑、馈线与单元分离便于设计，结合阻抗变换段能非常容易地实现低副瓣阵列天线[2]．但是在设计角馈方形微带阵列天线时，常常会出现交叉极化的问题[3-4]，这不仅对主极化方向图，特别是对第一副瓣影响严重[5]，还会降低天线增益，严重影响着天线的辐射性

能．文献[6-11]对天线的交叉极化特性进行了研究，提出了许多抑制交叉极化的方法．对于角馈

方形微带贴片的交叉极化问题，文献[1]基于腔模理论得出，该天线在馈电时腔体内将激励起等幅的TM 01模和TM 10模，而交叉极化场主要来自TM 11模．文献[4]则从电流分布的角度，给出了一种更为直观的解释：如果角馈方形微带贴片接入点两边电流幅度不均，将会产生交叉极化．文献[12]提出了一种两列线阵的TM 11模辐射反相抵消的特殊设计，可以抑制交叉极化；文献[3]提出通过调整贴片在馈线上的位置，使贴片位于波节点的方法也可降低交叉极化电平．上述几种抑制交叉极化的方法都是基于对天线阵列结构的调整，不能很好地适用于带有阻抗变换段的低副瓣阵列天线．本文从改变天线单元设计的角度入手，考虑角馈方形微带贴片的结构特点，通过在微带贴片中间位置开槽和末端延长馈电的

方法来抑制交叉极化．该方法对天线单元电性能影响小，且无需调整天线阵列的结构设计，具

有简单方便、易于实现的优点．1角馈方形微带贴片交叉极化现象分析为研究交叉极化问题，设计了一款以角馈方形微带贴片为阵元的低副瓣线阵天线．角馈方形微带贴片阵元结构如图1所示，贴片边长为a ，贴片的一角接入微带线中，接入点宽度为w ．微带线通过接入点的角端对贴片进行馈电．馈电时，贴片通过其四边与接地板之间的缝隙向外辐射能量，主极化方式是垂直极化[4]．

图1角馈方形微带贴片阵元结构低副瓣天线阵结构示意图如图2所示．天线阵工作在16.7GHz 频点，由28个角馈方形微带贴片及其馈电网络组成，采用中心馈电方式，天线阵关于中心馈电点左右对称．阵元间距为1个波导波长，各阵元下方附带四分之一波长阻抗变换段，用以实现阻抗匹配和功率分配．天线阵方位方向图按副瓣电平为-45dB 的泰勒分布设计，中心馈电点左侧天线阵阵元的电流幅度比如表1所示．

阵元

阵元阵元阵元阵元阵元阵元阵元图2低副瓣天线阵结构示意图

通过高频结构仿真器(HFSS)软件建模仿真，

8gggg得到天线阵阵元表面电流和电场分布，如图3所

示．由图3(a)可知阵元表面电流分布不均匀，既

有竖直电流分量，也有较强的水平电流分量；由DOI:

10.3969/j.issn.2095-5839.2019.02.004

空军预警学院学报2019年94图3(b)可知阵元表面电场在产生垂直极化的同时，存在较强的中心馈电点左侧水平极化．表1天线阵阵元电流幅度比阵元号12345比值1.0000.9750.9290.8630.781阵元号678910比值0.6870.5880.4870.3890.299阵元号11121314比值0.219

0.1510.101

0.074(a)

电流分布(b)电场分布图3天线阵阵元表面电流和电场分布

为方便分析天线阵的交叉极化情况，本文用交叉极化鉴别率(XPD)描述天线的极化纯度[13]．交叉极化鉴别率(dB)定义为天线交叉极化与主

极化分量的功率比，即

γXPD =10lg(P X /P )=20lg(E X /E )式中，P X 为交叉极化分量的功率，P 为主极化分量的功率，E X 为交叉极化分量电平，E 为主极化分量电平．仿真得到天线阵的方位方向图如图4所示．由图4可知，天线的主极化顶峰增益为15 dB ，交叉极化顶峰增益为-21 dB ，交叉极化鉴别率达到了-36 dB ，但是交叉极化副瓣电平已经超过了主极化副瓣电平，天线交叉极化问题十分严重．同时，天线主极化方向图也受交叉极化的影响，副瓣电平较高，方向图在副瓣位置出

现了严重的变形，与泰勒分布的方向图相差甚远．-１００-５００５０１００

-３０

-２０

-１０

０

保压阀１０２０增益

／ｄＢ主极化

交叉极化

方位／（）图4天线阵的方位方向图2阵元表面开槽法抑制交叉极化2.1

阵元表面开槽法阵元表面电流按照极化方向流动，并形成相应的电场

[14]．产生交叉极化的阵元表面电流

既有竖直电流分量，形成相应的垂直极化场；也

存在较强的水平电流分量，形成相应的水平极化场．因此，若能抑制角馈方形微带贴片表面水平

电流分量，

改变贴片表面电流分布，便可降低交叉极化场的强度，改善交叉极化问题．本文基于上述考虑，提出阵元表面开槽法．

应用阵元表面开槽法，在角馈方形贴

片中

间位置沿竖直方向开一矩形槽，可以阻断阵元表

面的水平电流分量，而不影响竖直电流分量，从

而改变阵元表面的电流分布，起到抑制交叉极化

的作用．开槽的角馈方形微带贴片结构如图5

所示，槽为矩形，长度为x ，宽度为y ．阵元表面

开槽法原理示意图如图6所示．

图5开槽的角馈方形微带贴片结构

图6阵元表面开槽法原理示意图2.2阵元表面开槽法抑制交叉极化的仿真分析应用开槽法对图2所示天线阵中的阵元结

构进行改进，仿真得到阵元表面电流、电场分布情况，开槽处理后天线阵阵元表面电流和电场分布如图7所示．由图7可知，经过开槽法处理后的天线阵元，表面电流以竖直电流分量为主

，存

在少量的水平电流分量；表面电场主要为垂直极化场，交叉极化场十分微弱．

(a)电流分布

三维试衣(b)电场分布

图7开槽处理后天线阵阵元表面电流和电场分布

经开槽处理后2种极化天线阵的方向图如

图8所示．由图8可

知

，

经过开槽处理后天线主

极化顶峰增益为18 dB ，交叉极化顶峰增益为

-34 dB ，交叉极化鉴别率达到-52 dB ，较开槽处

第2期吴峻岩，等：角馈方形贴片微带天线交叉极化抑制方法研究95理前结果降低16 dB ．天线主极化、交叉极化副瓣电平都有所降低，但在-25°~25°范围以外的交叉极化副瓣电平仍高于主极化副瓣电平．-１００-７５-５０-２５０２５５０７５１００

-５０-４０

-３０-２０-１００１０２

０增益／ｄＢ主极化

交叉极化

方位／（）图8开槽处理后2种极化天线阵的方向图对比天线阵阵元开槽处理前后仿真结果可知，阵元表面开槽能够抑制表面电流水平分量，

改变贴片表面电流分布情况，大幅降低交叉极化

电平，有效抑制交叉极化，改善天线辐射性能．

3增加馈电段法抑制交叉极化3.1增加馈电段法

受角馈方形微带贴片线阵天线馈电网络自

身特性影响，阵元接入点两边电流幅度不均，会

影响阵元表面电流分布，形成水平电流分量，从

而产生交叉极化现象[4]．为更好地抑制交叉极化，本文提出增加馈电段法，在角馈方形贴片接入点增加馈电段，对贴片加以改进．增加馈电段的角馈方形微带贴片结构如图9所示．图9增加馈电段的角馈方形微带贴片结构无馈电段和增加馈电段时贴片和馈线表面的电流分布仿真结果如图10所示．由图10可知，无馈电段时阵元接入点即阵元与馈线连接处(a)无馈电段(b)增加馈电段图10增加馈电段前后贴片和馈线表面电流分布的阵元表面电流幅度分布不均；在增加馈电段之后，这种电流幅度分布不均的影响在馈电段上得到缓解，从而减小了对阵元表面电流的影响，可以在一定程度上抑制交叉极化现象．

3.2增加馈电段法抑制交叉极化的仿真分析

应用增加馈电段法对天线阵中的阵元结构

进行改进，仿真得到阵元表面电流、电场分布情况如图11所示．由图11可知，经过增加馈电段

处理后的天线阵元，表面电流分布以竖直电流分量为主，水平电流分量明显减少；表面电场主要

为垂直极化场，交叉极化场场强较处理前有一定程度下降．

(a)电流分布

(b)电场分布

图11增加馈电段后天线阵元表面电流和电场分布

增加馈电段前后天线阵主极化方向图和交叉极化方向图如图12所示．由图12可知，增加馈电段后，天线阵主极化顶峰增益由15 dB 增加

至20 dB ，主瓣附近的副瓣电平下降，主极化方

向图更接近泰勒分布；天线阵交叉极化顶峰增益

由-26 dB 增加至-19 dB ，上升了7 dB ，但交叉

极化副瓣电平整体下降8 dB ．

-１００-７５-５０-２５０２５５０７５１００

-３０

-２０

-１０

０１０２０增益／ｄＢ

方位／（）

增加馈电段后

增加馈电段前(a)主极化

-１００-７５-５０

-２

５０２５５０７５１００

-３０

-２０

-１０

０

１

０增

益／ｄＢ

方位／（）

增加馈电段后

增加馈电段前

(b)交叉极化

图12增加馈电段前后2种极化天线阵的方向图

空军预警学院学报2019年

96上述仿真结果表明，增加馈电段能够提高主极化顶峰增益，降低主极化副瓣电平，改善主极化方向图，并能降低交叉极化电平，达到抑制交叉极化的效果．4仿真和测试结果使用开槽法和增加馈电段法对天线阵进行综合设计，并仿真得到了综合处理后天线阵的方位方向图，如图13所示．由图13可知，天线主极化顶峰增益达21 dB ，主极化第一副瓣电平达-29 dB ，主极化方向图接近泰勒分布方向图；天线交叉极化顶峰增益为-42 dB ，交叉极化鉴别率达到了-63 dB ，交叉极化副瓣电平低于主极化副瓣电平．仿真结果表明，综合使用开槽法和增加馈电段法，比单独使用一种方法能更好地抑制交叉极化，提升天线辐射性能．经过优化设计，最终确定天线阵阵元边长

a =215 mil ，接入点宽度w =24 mil ，馈电段长度为10 mil ，中间开槽大小为x ´y =240 mil ´10 mil ．馈电网络采用100 Ω微带线，其线宽为17 mil ，天线单元间距为534 mil ，阻抗变换段长度统一为

80 mil ．中心处用50 Ω同轴接头馈电．加工制

作出天线实物，如图14所示．

利用恒达微波公司HD-140HA20+S 型标准喇叭天线，对天线阵的增益和方向图进行测试，得到天线阵的主极化方向图和交叉极化方向图，如图15所示．天线阵主极化顶峰增益达18.9 dB ，主极化方向图第一副瓣电平为-22 dB ，其他副瓣电平基本都低于-30 dB ，实现了低副瓣的要求．交叉极化顶峰增益为-12.8 dB ，交叉极化方向图增益均低于-12.8 dB ．天线交叉极化鉴别率达到-31.7 dB ，天线极化纯度高，达到了抑制交叉极化的目的．

受天线加工工艺和测试环境的影响，天线实-１００-７５-５０-２５０２５５０７５１００-５０-４０-３０-２０-１００

１０２０３０-０

-０

０１０２

０增

悬空板

益／ｄＢ增益／ｄＢ方位／（）方位／（主极化交叉极化主极化交叉极化图13综合处理后天线阵的方位方向图图14天线阵实物照片图152种极化天线阵实测方向图测方向图与仿真结果有一定的差别，但实测结果表明，使用开槽法和增加馈电段的方法能够有效抑制交叉极化，保证天线良好的辐射性能．

5结论1)本文以角馈方形微带贴片作为天线阵阵元，设计了一种泰勒分布的低副瓣线阵天线．通过天线在产生交叉极化现象时贴片表面的电流、电场分布情况，对交叉极化方向图进行了仿真分析，提出了阵元表面开槽法和增加馈电段法来抑制交叉极化．2)仿真分析得出，开槽法能够抑制表面电流水平分量，改变贴片表面电流分布，有效抑制交叉极化；增加馈电段法可以减小接入点两侧电流幅度分布不

均的影响，从而抑制天线阵的交叉极化．3)制作出天线阵实物并进行了测试，测得天线阵第一副瓣电平为-22 dB ，交叉极化鉴别率达到-31.7 dB ，满足了低副瓣、低交叉极化的设计要求．4)仿真和实测结果表明，采用开槽法和增加馈电段法对天线阵阵元改进，可以有效抑制天线交叉极化，降低副瓣电平，提升天线辐射性能．参考文献：

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square patch micro-strip antenna array

WU Junyan 1,2,NIU Quanmin 2,ZHANG Feng 2,LIU Xin 3

(1.No.93841Unit,the PLA,Urumqi 830075,China ；2.Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China ；

3.No.93277Unit,the PLA,Shenyang 110141,China)

Abstract ：The corner-fed square patch micro-strip antenna is prone to cross-polarization in design,which seriously affects the radiation performance of the array antenna.In view of this situation,this paper uses the corner-fed square micro-strip patch as antenna elements to design a low side-lobe linear array antenna with Taylor distribution.Firstly the paper analyzes the cross-polarization phenomenon of corner-fed square micro-strip patch.And then the paper proposes the method of slotting and increasing feeder section to suppress cross-polarization.Finally simulation is

made and the test results are given,which show that the two proposed methods above can effectively suppress cross-polarization and reduce the influence on the main polarization direction,and that the antenna has better radiation performance.

Key words ：corner-fed ；square patch ；micro-strip antenna ；cross-polarization ；slotting method ；method of add-ing feeder

section

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