单元极化特性对顺序旋转圆极化阵列性能的影响

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。

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rε = 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