【期刊】电子科技大学屈世伟Int J RF Microw Comput Aided Eng：具有半球空间波束覆盖能力……

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原文信息

具有半球空间波束覆盖能力的双极化贴片天线阵

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https://doi.org/10.1002/mmce.23460

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文献速读

本文提出了一种耦合馈电的贴片天线组成的双极化半球面波束覆盖天线阵，在外部使用了半球形介质天线罩来保护由金属支架支撑的内部辐射结构，并在设计时充分考虑并优化了金属支撑支架与天线罩对天线性能的影响。

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正文导读

作为收发电磁波的窗口，天线是无线信息系统中不可或缺的组成部分。其中，具有半球面波束覆盖性能的天线则广泛应用于5G通信，卫星定位和目标探测等。此外，微带天线因为在剖面、成本以及重量等方面有着突出的优点被应用于不同的天线领域。

图1 天线阵列模型示意图

图1展示了本文中天线阵列与天线单元的模型。针对半球面波束覆盖的需求，我们将天线单元分别固定在支架的4个臂上，使其波束分别朝不同方向偏转，以便达到更理想的半球面辐射效果。

如图2所示，在单元设计中，为了避免非规则形状的金属支架对辐射带来的负面影响，使用了金属腔来隔离天线单元与支架臂。同时，腔体设计还可以优化天线的匹配特性，并且用于支撑辐射贴片所在的水平介质基板。除金属支架外，半球形介质天线罩也会对天线的性能产生一定影响，我们在单元设计阶段增加了曲面介质板以模拟天线罩对天线阵列辐射性能的影响。

为了达到双极化的辐射效果，使用了正交的垂直放置馈电结构，这样可以使天线阵列两个极化有着良好的隔离度。

图2 天线单元模型示意图

在进行参数优化时，阵列与单元需要联合优化才能得到理想的辐射效果。如图3所示，天线罩与辐射贴片的距离d_u为6mm时，天线的增益得到了明显的提高。但同时对比图1可以看出，当d_u的距离不断缩小，球面天线罩势必与单元金属腔体产生结构冲突。

图3  天线罩与辐射贴片的距离对单元方向图产生的影响

除了d_u外，决定单元位置的L_u ，支架倾角α和天线罩半径R_r等参数也与此类似，在对天线辐射产生影响的同时可能导致天线出现结构问题。因此，一组相关参数的约束公式被引入天线的优化过程以避免出现上述情况，下面给出其中的两个方程为例

其中，H_i和R_i分别代表天线罩内表面高度和内半径，其余参数可见图1。

在设计完成后，我们加工了天线样机并进行了测试。天线阵列工作于4.5-5.1GHz,半球面辐射的双极化增益在2dB以上，端口驻波低于2且不同端口间的隔离度高于20dB.

图4  天线样机测试

图5  天线双极化辐射增益

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作者简介

王愉心，电子科技大学，博士，主要研究方向为低剖面、共形阵列天线。

屈世伟，电子科技大学，教授，主要研究方向为宽带相控阵天线、毫米波/THz天线及阵列等。

杨仕文，电子科技大学，教授，主要研究方向是四维天线阵、强互耦超宽带阵、透镜天线和低RCS天线等。

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