寬帶圓極化錐形輻射單元陣列天線的設(shè)計(jì)

楊彥炯 栗 曦 楊 林 王 伊 龔書喜

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

1. 引 言

寬帶圓極化天線在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)，如衛(wèi)星通訊、雷達(dá)與導(dǎo)航中廣泛應(yīng)用。微帶天線因?yàn)槠渲亓枯p、低剖面、低成本、易成型和易于與集成電路技術(shù)兼容等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)微帶天線的限制是可利用阻抗與軸比(AR)帶寬。為獲得更寬的帶寬，雙饋點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單、令人滿意的性能等特點(diǎn)成為首選[1-2]。傳統(tǒng)貼片天線允許帶寬的典型值在單饋點(diǎn)且AR<3 dB時(shí)小于10%[3-4]。為提高陣列天線的軸比帶寬，設(shè)計(jì)了一種新型的寬帶圓極化陣列天線，饋電網(wǎng)絡(luò)包括90°寬帶電橋[5]和L型探針用來提供90°饋電相差。設(shè)計(jì)天線具有以下三個(gè)特點(diǎn)：1)饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合寬帶圓極化天線陣列的設(shè)計(jì)；2)饋電網(wǎng)絡(luò)在介質(zhì)基板底部，地板在介質(zhì)基板的頂部。這種設(shè)計(jì)方法使得地板把輻射體與饋電網(wǎng)絡(luò)隔離開來以減小二者間的相互影響，且減小了陣列天線的總體尺寸；3)利用錐臺輻射單元取代傳統(tǒng)平面輻射貼片做為輻射單元能明顯提高軸比帶寬。

下文詳細(xì)給出了天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；2×2單元結(jié)構(gòu)的陣列天線實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論；最后得出的天線設(shè)計(jì)結(jié)論。

2.天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

圖1給出圓極化陣列天線的結(jié)構(gòu)。天線包括三層：輻射體、空氣層和介質(zhì)基板。輻射體在L型饋電探針上面，探針穿過基板與饋電網(wǎng)絡(luò)相連接。輻射體由高6 mm、直徑為5 mm、相對介電常數(shù)2.65的介質(zhì)柱支撐。輻射體與L型饋電探針Z之間距離為0.6 mm.

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

空氣層的引入提高了天線的工作帶寬。饋電網(wǎng)絡(luò)在介質(zhì)基板下面，地板在介質(zhì)基板上面，這種結(jié)構(gòu)不僅降低了輻射體與饋電網(wǎng)絡(luò)的相互影響，還減小了天線的總體尺寸。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)布局圖

圖3 錐臺輻射體結(jié)構(gòu)尺寸(D1=54 mm,D2=52 mm,D3=48 mm, H=8 mm,h=1 mm)

圖4 饋電探針結(jié)構(gòu)尺寸( L1=34.6 mm,L2=6 mm,d=1.2 mm)

3. 結(jié)果與討論

功分網(wǎng)絡(luò)及地板分別位于厚度1 mm，介電常數(shù)4.4的介質(zhì)基板兩側(cè)，天線設(shè)計(jì)頻率為2.2 GHz。陣列輻射單元x軸方向排列距離為71 mm，y軸方向排列距離為120 mm.圖5為陣列天線和饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)物。天線的整體結(jié)構(gòu)尺寸為230 mm×150 mm×16 mm.

用R&S ZVB20型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試天線駐波，圖6中為仿真與實(shí)測駐波曲線比對。由測試結(jié)果可知，阻抗帶寬為40.1%(VSWR<2)，范圍從1.68～2.58 GHz.

在微波暗室內(nèi)測試天線軸比、增益及x-z和y-z面的遠(yuǎn)場方向圖。圖7為實(shí)測與仿真軸比，曲線吻合良好。且由圖可見設(shè)計(jì)天線的3 dB軸比帶寬為 42.7%，范圍從1.76～2.7 GHz，比傳統(tǒng)的貼片天線寬很多[6-10]。圖8為頻率1.8 GHz、2.2 GHz和2.6 GHz天線的增益測試曲線如圖9所示，設(shè)計(jì)天線增益在頻率2.4 GHz可達(dá)12.7 dB.

(a) 實(shí)際加工天線

(b) 實(shí)際加工饋電網(wǎng)絡(luò)圖5 實(shí)際加工天線和饋電網(wǎng)絡(luò)

圖6 仿真與實(shí)測駐波曲線

圖7 仿真與實(shí)測軸比曲線

(a) 1.8 GHz

(b) 2.2 GHz

(c) 2.6 GHz圖8 設(shè)計(jì)天線實(shí)測方向圖

圖9 天線實(shí)測增益曲線

4. 結(jié) 論

加工并測試了一個(gè)與寬帶90°電橋連接、L型探針饋電的寬帶錐臺輻射單元陣列天線。應(yīng)用了文中提出的設(shè)計(jì)方法，天線有良好的寬帶性能，天線在VSWR<2的有效阻抗帶寬為50%，頻率范圍為1.68～2.58 GHz；AR<3 dB的有效軸比帶寬為42.7%，頻率范圍為1.76～2.7 GHz，其軸比帶寬比傳統(tǒng)貼片天線寬很多，文獻(xiàn)[6]-[9]中天線的3 dB軸比帶寬分別為20.8%、12%、20.4%和21%，而文獻(xiàn)[10]中四環(huán)天線3 dB軸比帶寬只有3.8%。設(shè)計(jì)天線的峰值增益可達(dá)12.7 dB.

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