ABSTRACT

Sequentially-rotated (SR) arrays with elements having different polarization properties are studied in this paper. Linearly-polarized (LP) or circularly-polarized (CP) patches can both be used as elements of SR arrays, and have different effects on array performance. Two 2 by 2 SR arrays are constituted by LP and CP elements, respectively. Then, the bandwidth and gain performances of two arrays are studied. Theoretical analysis and simulation research are conducted. It is demonstrated that the arrays can broaden the bandwidth significantly. However, the gain of the SR array with LP elements is about 3 dB lower than that with CP elements, but gain bandwidth of the former array is wider. Finally, effects of the element spacing on SR arrays are studied with different polarized elements and the optimal spacing selection is analyzed.

Keywords:Sequentially-Rotated Arrays, Polarized Elements, Bandwidth Performance, Gains Comparison, Spacing Selection

单元极化特性对顺序旋转圆极化阵列 性能的影响

王道雨，汪 敏，吴跃敏，吴 文

南京理工大学JGMT国防重点学科实验室，江苏 南京

收稿日期：2017年2月7日；录用日期：2017年2月25日；发布日期：2017年2月28日

摘 要

本文对采用不同极化单元的顺序旋转阵列进行了研究。顺序旋转阵列可以采用线极化或圆极化贴片作为单元，且不同极化特性的单元对阵列性能有着不同的影响，这里分别利用线极化单元和圆极化单元顺序旋转组阵，构成2 × 2阵列，研究了两种阵列的带宽及增益等性能。结合理论分析与仿真结果，得出结论：两种阵列均能很好地展宽带宽，而采用线极化单元顺序旋转组阵的增益要比采用圆极化单元少将近3 dB，但是前者的增益带宽要更宽。最后研究了采用不同极化单元时顺序旋转阵列间距对阵列性能的影响，分析了最优间距的获取。

关键词 :顺序旋转阵列，极化单元，带宽性能，增益比较，间距选择

1. 引言

顺序旋转馈电技术最早由T. Teshirogi等人提出，该技术使得天线阵列拥有良好的圆极化带宽和驻波比带宽，并且不受窄带单元的影响 [1] 。此后该技术得到国内外学者大量的研究。J. Huang将线极化单元顺序旋转组成圆极化阵列 [2] ，同样获得了较宽的带宽特性，但是该阵列增益较低且45˚方向的交叉极化较大，文中提出通过组大阵列的方法，使得对角方向的高交叉极化逐渐被平均。P. S. Hall等通过一阶分析表明顺序旋转技术能提高轴比带宽 [3] 。同年，P. S. Hall等人研究了顺序旋转馈电展宽带宽的应用 [4] ，分析并比较了不同阵元数和顺序旋转因子对天线性能的影响，同时也发现增益损耗是一个重要的带宽限制。T. Zhang等人分析了增益带宽限制的问题，并提出了采用顺序旋转的椭圆极化单元来改善增益 [5] 。文献 [6] [7] [8] 中设计出各种各样的顺序旋转馈电网络以拓展带宽，文献 [9] 则分析了不同顺序旋转馈电网络对天线各个性能的影响。

本文研究了单元极化特性对顺序旋转圆极化阵列性能的影响。分别利用线极化和圆极化贴片作为单元，运用串馈网络得到0˚、−90˚、−180˚、−270˚的2 × 2顺序旋转阵列，研究了两种阵列的带宽及增益等性能。最后分析了两种阵列的间距优选问题。

经过仿真与分析，得出结论：两种阵列在展宽阻抗带宽及轴比带宽方面具有相似的性能，而采用线极化单元顺序旋转组阵的增益要比采用圆极化单元少将近3 dB，但是前者的增益带宽要更宽。对于圆极化单元顺序旋转组阵，间距选择与传统阵列一致；而对于线极化单元顺序旋转组阵，间距应选得尽量小。

2. 不同极化贴片单元及顺序旋转阵列结构

分别采用如图1(a)所示的线极化和圆极化贴片作为阵列的单元结构，其中两个单元均取方形贴片以利于性能对照。通过调节两个单元的边长以产生谐振，圆极化单元通过在贴片中央开缝以激励起两个正交的简并模，形成右旋圆极化。

设计中心频率为8.2 GHz。采用相对介电常数= 2.2，厚度t = 0.787 mm的介质基板Rogers RT/duriod 5880。2 × 2阵列结构如图1(b)所示，4个贴片1、2、3、4按0˚、−90˚、−180˚、−270˚顺序旋转

图1. 不同极化贴片及顺序旋转阵列结构

等间距放置，两个贴片中心的间距为22 mm，约为0.6λ₀，λ₀为自由空间工作波长。通过顺序旋转串馈功分产生等功率输出及0˚、−90˚、−180˚、−270˚的相对馈电相位，串馈功分各馈线段的阻抗如图所示。串馈功分在贴片中心馈电，通过两级四分之一微带线转换线将贴片与150 Ω微带线相匹配。通过调节图中的三个拐角的长度来改变相邻两个端口的相位差。最终阵列形成右旋圆极化。

3. 不同单元对阵列阻抗带宽和轴比带宽的影响

两个单元的回波损耗仿真结果如图2所示。线极化和圆极化单元的−10 dB阻抗带宽分别为1.8%和3.5%。后者大于前者，是由于圆极化单元产生了两个正交的简并模，而线极化单元只有一个谐振模式。圆极化单元的轴比带宽为1.03%，如图3所示。

图4示出了采用两种极化单元的阵列回波损耗曲线，从图中可以看出采用线极化单元和圆极化单元的阵列−10 dB阻抗带宽分别为7.6% (7.88~8.5 GHz)和9.3% (7.87~8.64 GHz)，前者带宽略小于后者带宽，但都显著展宽了阵列的阻抗带宽。

图5示出了两种阵列不同频率下θ = 0˚方向上的轴比特性曲线，从图中可以看出采用线极化单元和圆极化单元的阵列3 dB轴比带宽分别为5.31% (8.07~8.51 GHz)和5.35% (8.01~8.45 GHz)，两者相差不大，约为圆极化单元轴比带宽的5倍，表明采用两种结构都能够很好地展宽天线的轴比带宽。

4. 不同单元对阵列增益和增益带宽的影响

研究表明，采用不同极化性质的单元，会对顺序旋转阵列的增益造成影响。图6示出了采用两种极化单元的阵列在中心频率8.2 GHz处的主平面增益方向图，可以看出主平面内两种阵列都实现了良好的圆极化性能。然而，从图中发现，采用线极化单元的增益(9.5 dB)比采用圆极化单元的增益(12.4 dB)少了约2.9 dB。下面从交叉极化和阵因子两个方面来对此进行分析。

1) 交叉极化分析

针对2 × 2阵列，分析圆极化和线极化单元构成的阵列φ = 45˚面上的交叉极化情况，如图7所示。可以发现，圆极化单元组阵(图7(b))时，交叉极化特性较好，而线极化单元组阵(图7(a))时，在偏离θ = 0˚的方向上具有很大的交叉极化。

这是因为线极化单元组阵时，φ = 45˚面上的远场可以认为是由三个单元的线性阵列产生的，如图8(a)，中间的阵元为水平极化，激励幅度为2，相位为90˚，两端的阵元为垂直极化，激励幅度为1，相位为0˚。

图2. 两个单元的回波损耗曲线

图3. 圆极化单元轴比随频率变化曲线

图4. 两种阵列的回波损耗曲线

图5. 两种阵列的轴比随频率变化曲线

图6. 两种阵列8.2 GHz处主平面辐射方向图

图7. 两种阵列8.2 GHz处φ= 45˚辐射方向图

图8. (a) φ = 45˚平面布局 (b) 空间相位延迟

在θ = 0˚时，两垂直极化分量幅度相等，相位差90˚，形成圆极化；但θ偏离0˚时，水平极化两单元保持同相，场相互叠加，而垂直极化的两单元则由于如图8(b)所示的空间相位延迟产生了相差，造成叠加后与水平极化场分量幅度不平衡，同时也造成了两垂直场分量不再是预期的90˚相位差，这就造成了相位的不平衡。幅度和相位的不平衡使得φ = 45˚面上θ偏离0˚方向产生了较高的交叉极化。在2 × 2阵列中，由于该交叉极化比较大，就引起其阵列增益大大降低。

文献 [2] [10] 指出当阵列规模较大的时候，因天线更窄的波束和大阵列的平均效果会使上述的不平衡抵消，从而可以抑制交叉极化。但是，规模相同的大的顺序旋转阵列，单元的极化方式不同会对阵因子造成影响，影响副瓣电平，从而对增益和增益带宽产生影响。

2) 阵因子分析

这里结合轴比误差来分析顺序旋转阵列的阵因子。以椭圆极化单元为基础，阵列模型如图9所示。图中单元场被分解成两个正交分量，I₁、I₂分别是两分量的幅值。I₁分量在四个单元上的馈电相位依次为0、π/2、3π/2、2π，垂直分量I₂的相位则为π/2 + θ_e、π + θ_e、3π/2 + θ_e、θ_e，θ_e用于表示两个模馈电相差偏离π/2的的误差。

忽略高次模和阵元间互耦的影响，经过推导，顺序旋转阵列的阵因子可以表示为 [5] ：

(1)

式中振幅误差A_e = I₂/I₁且∈[1,∞)，相位误差θ_e∈[0,π/2]。

式(1)表明A_e和θ_e分别影响着阵因子，对A_e和θ_e各自求偏导数，可知阵因子在A_e∈[1,∞)和θ_e∈[0,π/2]内均单调递减。当阵元是纯圆极化单元时，I₁ = I₂，A_e = I₂/I₁ = 1，θ_e = 0，则有f(A_e,θ_e) = f(1,0) = 4 = 6 dB；当阵元为线极化单元时，I₁ = 0，A_e = I₂/I₁ =∞或θ_e =π/2，则有f(A_e,θ_e) = f(∞,0) = 2 = 3 dB或f(A_e,θ_e) = f(A_e,π/2) = 2 = 3 dB。

由此可见，采用线极化单元的顺序旋转阵列的阵因子极大值要比采用圆极化单元少接近3 dB。

综合上述的空间误差和馈电误差分析，可知在最大辐射方向θ = 0˚上，采用圆极化单元时阵列中的四个圆极化单元在主模上始终处于同幅同相激励；而采用线极化单元时，四个顺序旋转的线极化单元是相位相差90˚的两组正交的线极化单元，完全同幅同相激励主模的是一对线极化单元，因而比圆极化单元组成的阵列增益要少将近3 dB。这也意味着两种阵列对组阵单元间距要求不同，本文将在下一节展开研究。

不同极化性质的单元，不仅影响顺序旋转阵列的增益，也对增益带宽造成影响。图10示出了采用两

图9. 顺序旋转阵列的理论模型

图10. 两种阵列的增益带宽曲线

种单元的增益带宽曲线，从图中可以看出采用线极化单元组阵的增益带宽曲线比与采用圆极化单元更平缓，两种阵列1 dB增益带宽分别为5.08% (8.06~8.48 GHz)和3.79% (8.02~8.33 GHz)。后者小于前者，表明采用圆极化单元的顺序旋转阵列虽然可以获得较高的增益，但是它的增益带宽却不能保持很宽；而采用线极化单元的顺序旋转阵列虽然增益低，但是它的增益变化却很平缓，增益带宽能保持得更宽。

文献 [5] 则指出采用介于线极化单元和圆极化单元之间的椭圆极化单元，可以使得顺序旋转阵列拥有最宽的增益带宽，这是因为线极化单元的阻抗带宽往往比较窄，导致增益带宽受到限制；而对于圆极化单元来说，窄的轴比带宽造成了增益带宽变窄。

5. 两种阵列间距的优选

由上一节可知：采用不同极化单元的顺序旋转阵列在同样的布阵形势下，等效的阵元间距不同。分别利用第2节中的线极化贴片和圆极化贴片作为单元，按照0˚、−90˚、−180˚、−270˚的顺序旋转馈电方式组成2 × 2右旋圆极化阵列，研究不加馈电网络情况下间距对两种阵列增益、口径效率、φ = 45˚交叉极化等参数的影响，这里间距d取20~34 mm (约为0.55~0.93λ₀，λ₀ = 36.6 mm)。

表1示出了不同极化单元组阵时不同阵元间距对天线增益、口径效率的影响。从表中可以看出圆极化单元组阵时，随着阵元间距逐渐增大，阵列增益和口径效率先增大后减小，当间距取30 mm (约为0.82λ₀)时，增益达到最大值，当间距取26 mm (约为0.71λ₀)时，口径效率达到最大。而线极化单元组阵时，随着阵元间距逐渐增大，增益缓慢增加，口径效率却在不断减小。

图11(a)示出了圆极化单元组阵时φ = 45˚方向图，可以看出不同间距下交叉极化特性(LHCP)保持得较好。图11(b)示出了线极化单元组阵时φ = 45˚方向图，可以看出不同间距下交叉极化特性(LHCP)较差，但是随着间距的减小交叉极化电平逐渐降低，因而采用较小间距可以将φ = 45˚面上的交叉极化抑制得更好。

事实上，顺序旋转的圆极化单元在主模上始终处于同幅同相激励，因此采用圆极化单元顺序旋转组阵的等效间距与传统的等幅同相阵列相同。而顺序旋转线极化单元，等幅同相辐射的阵元是对角上的两个阵元，该方向上的阵元间距为d，更容易产生栅瓣，并且φ = 45˚面上存在较高的交叉极化，因此该阵列的阵元间距应尽量地减小。

6. 应用

综合以上，在实际应用中，两种顺序旋转圆极化阵列均可以应用于宽带领域。其中采用圆极化单元的顺序旋转阵列拥有更高的增益，因此更适合高增益的应用；而采用线极化单元的顺序旋转阵列虽然增益低，但是线极化单元的极化隔离度更高，因此更适合双频双极化的应用。

表1. 不同间距对两种阵列性能的影响

图11. 两种阵列8.2 GHz处φ = 45˚辐射方向图

7. 结论

本文对比研究了采用不同极化单元的顺序旋转圆极化阵列。首先通过仿真比较了采用不同极化单元的阵列带宽，仿真结果表明两种阵列在展宽阻抗带宽及轴比带宽方面具有相似的性能。结合理论与仿真着重分析了采用两种极化单元的顺序旋转阵列的增益问题，同时比较了采用两种阵列的增益带宽，结果表明线极化单元顺序旋转组阵的增益比采用圆极化单元少3 dB，而前者的增益带宽比后者要宽。最后分析了采用不同极化单元时的间距选择问题，指出对于圆极化单元顺序旋转组阵，间距选择与传统阵列一致；而对于线极化单元顺序旋转组阵，间距应选得尽量小，以尽可能地抑制φ = 45˚面上的交叉极化。

基金项目

国家自然科学青年基金项目：61401208。

文章引用

王道雨,汪敏,吴跃敏,吴文. 单元极化特性对顺序旋转圆极化阵列性能的影响
Effects of Element Polarization Property on Performance of Sequentially-Rotated Circularly-Polarized Arrays[J]. 天线学报, 2016, 05(02): 9-17. http://dx.doi.org/10.12677/JA.2016.52002

参考文献 (References)