具有穩(wěn)定相位中心的三饋點圓極化微帶天線

林 晨 張福順 朱 楊 張 凡 焦永昌

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710071)

1.引 言

一般實現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是產(chǎn)生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。而如何滿足這個圓極化的條件，不同的天線有不同的實現(xiàn)方式。常見的微帶天線激勵圓極化的方法，主要分為單饋和雙饋。單饋的微帶圓極化天線主要通過破壞平衡性來實現(xiàn)圓極化波的產(chǎn)生，而雙饋則按照圓極化波產(chǎn)生的三個要素進(jìn)行設(shè)計，即空間正交、幅度相等、相位相差90°。單饋微帶圓極化天線[1-2]固有的窄帶特性限制其只能工作在局部頻點。雙饋方式[3-4]具有相對較寬的阻抗和軸比帶寬，得到了廣泛的應(yīng)用。

歷年來對微帶天線的研究重點都在改善帶寬、提高增益上，對其相位中心的穩(wěn)定性研究甚少。隨著GPS、北斗、測向等多種先進(jìn)無線電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，以及定位及測向精度的提高，天線相位中心的位置[5-7]及其穩(wěn)定性對系統(tǒng)測試精度的影響已不可忽略，因此,設(shè)計具有穩(wěn)定相位中心的天線，以及標(biāo)定相位中心穩(wěn)定性日益受到人們的重視[8-10]。本文正是基于這些應(yīng)用提出了一種三饋點圓形微帶天線，通過均勻?qū)ΨQ饋電方法改善了相位中心的穩(wěn)定性。筆者從理論上推導(dǎo)出三饋點圓形微帶天線獲得圓極化的饋電條件。與傳統(tǒng)雙饋設(shè)計相比，新的結(jié)構(gòu)對相位方向圖的周向?qū)ΨQ性有了極大的改善，保證了相位中心的穩(wěn)定。本文研究了該天線的工作機

理和性能，給出了仿真和實驗結(jié)果。

2.天線設(shè)計與仿真結(jié)果

2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線的相位中心穩(wěn)定度與天線的形式和饋電方式相關(guān)。一般來說，天線的對稱性越好，饋電點數(shù)目越多，饋電點越對稱，其相位中心的穩(wěn)定度越高。因此，為解決雙饋點天線相位中心不穩(wěn)定的問題，提出了一種新穎的三饋點天線。圖1給出了三饋點微帶天線的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，天線采用半徑為Rp的圓形微帶貼片作為輻射器，并具有三個關(guān)于圓心對稱的饋電點，從而保證了相位中心穩(wěn)定和良好圓極化所需要的對稱性。天線的三個饋電點均勻地分布在半徑為D的圓周上。為展寬阻抗帶寬，設(shè)計采用厚度較大(H= 4 mm)，介電常數(shù)較低(εr=2.65)的介質(zhì)基板，其損耗角正切值為0.003。天線的金屬地板同樣采用圓形，其半徑為Rg.圓形微帶天線工作在主模(TM11模)，中心頻率為f0= 2.45 GHz.使用圓形微帶貼片設(shè)計經(jīng)驗公式[11]，計入邊緣效應(yīng)，可得到實際的物理尺寸。背饋式饋電通過傳輸線法[11]可估算出饋電點的位置。

經(jīng)計算天線工作于頻率f0時，貼片半徑Rp= 20.3 mm，饋電點位置D= 5.5 mm(單個饋電點)。利用基于有限元法的軟件高頻電磁仿真軟件(HFSS)對貼片單元(三個饋電點)進(jìn)行仿真分析， 微調(diào)諧振頻率和輸入阻抗。調(diào)整后天線實際尺寸： 貼片半徑Rp= 21.2 mm，饋電位置D= 8.0 mm，基板半徑Rs= 30.0 mm，地板半徑Rg= 40.0 mm.圖2給出了天線各端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出：在頻段2.38 ～ 2.53 GHz內(nèi)，天線三個端口的反射系數(shù)曲線基本一致，且均小于-10 dB.

圖1 三饋點圓形微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 天線各端口反射系數(shù)仿真結(jié)果

2.2 饋電方法分析

圖3 電場矢量分布示意圖

其電場作為時間和位置的空間函數(shù)，可分別寫成

Eu=E1sin(wt-βz-φ)

(1)

Ev=E2sin(wt-βz)

(2)

Ek=E3sin(wt-βz+φ)

(3)

E=Ev+Eu+Ek

φ)cosθ-E1sin(wt-βz-φ)cosθ]

(4)

Ex=E0[sin(wt)-sin(wt+φ)sinθ-sin(wt-φ)sinθ]

(5)

Ey=E0[sin(wt+φ)cosθ-sin(wt-φ)cosθ]

(6)

展開式(5)和式(6)有

Ex=E0[sin(wt)-2sin(wt)cosφsinθ]

(7)

Ey=E0[2cos(wt)cosθsinφ]

(8)

由Ex和Ey的關(guān)系分別有

(9)

(10)

合并式(9)和式(10)，消掉wt，整理得出

(11)

由式(11)可以看出，當(dāng)兩個分母相等時，合成場矢量的軌跡是一個圓，獲得了圓極化特性。即φ和θ需要滿足如下方程

(1-2cosφsinθ)2=(2cosθsinφ)2

(12)

根據(jù)天線饋電點位置可知θ=30°，并帶入到公式(12)，解得相位差φ=?120°，分別對應(yīng)右旋和左旋極化波。

在HFSS中采用三個理想的等幅激勵源對天線饋電進(jìn)行仿真驗證。當(dāng)激勵源之間的相差從90°變化到150°時，分別計算了天線在頻帶2.0 ～ 3.0 GHz內(nèi)的軸比。如圖4所示，當(dāng)相差為90°時，天線在頻帶內(nèi)的軸比均大于4 dB；隨著相差增大，軸比變好，且相差為120°時其達(dá)到最好值；當(dāng)相差進(jìn)一步增大時，軸比則開始變差。仿真結(jié)果驗證了理論推導(dǎo)的正確性。

圖4 天線軸比隨相位差變化仿真結(jié)果

2.3 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計天線饋電網(wǎng)絡(luò)，提供三個幅度相等，相位相差120°的激勵。為便于工程實現(xiàn)，設(shè)計了一個常用的一分三Wilkison功率分配器。如圖5所示，三條電長度分別相差1/3波長(f0= 2.45 GHz)的微帶線分別連接到功率分配器的各輸出端口，實現(xiàn)超前或滯后120°的相位差。功率分配器采用較薄(h=1 mm)的圓形介質(zhì)基板(εr=2.65)，安裝于微帶天線下方并與其共用一個金屬地板。

在仿真中，用功率分配器代替理想激勵源對天線饋電，其電性能仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)中可以看出：天線反射系數(shù)S11< -10 dB的帶寬為550 MHz(2.18 ～ 2.73 GHz)。圖6(b)給出天線軸比曲線圖，其3 dB軸比帶寬為470 MHz (2.24 ～ 2.71 GHz)。由于微帶線實現(xiàn)120°相差的帶寬具有窄帶特性，天線無法獲得很寬的軸比帶寬。

圖5 Wilkison功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 天線反射系數(shù)仿真結(jié)果

(b) 天線軸比和增益仿真結(jié)果圖6 三饋點微帶天線電性能仿真結(jié)果

2.4 天線相位中心標(biāo)定

通常只能在天線主波束的一定角度范圍內(nèi)，近似找到一點，使得遠(yuǎn)場相位方向圖的相位波動最小，這個點稱為天線的視在“相位中心”。天線的相位中心穩(wěn)定度是表征天線各個切面相位中心離散程度的量，是包含天線各個切面的相位中心點的球體的最小半徑[9]，其球心可以近似認(rèn)為是視在相位中心。雖然天線本身的設(shè)計已經(jīng)保證了較高的相位中心穩(wěn)定度，但仍需通過試驗或仿真的方法將相位中心穩(wěn)定度標(biāo)定出來。天線相位中心穩(wěn)定性的標(biāo)定方法有三種[12]：仿真計算、微波暗室測量和接收機系統(tǒng)測試。前兩種方法得到的是天線的絕對相位中心，后一種方法得到的是天線的相對相位中心。本文采用第一種方法對天線的相位中心進(jìn)行標(biāo)定。

在最小二乘意義下[13]，采用解析法計算出該天線和雙饋點天線各個切面的相位中心和穩(wěn)定度，結(jié)果見表1和表2。其中，參考點(0,0,0)位于天線地板圓心，天線phi隔30°取一個面，theta在±50°范圍內(nèi)每隔1°取一個點。對比結(jié)果可以看出：三饋點天線的相位中心穩(wěn)定度小于1 mm，相位波動小于3.5°，均明顯優(yōu)于雙饋方式。

表1 相位中心穩(wěn)定度計算結(jié)果(三饋點)

表2 相們中心穩(wěn)定度計算結(jié)果(雙饋點)

但是在實際應(yīng)用中，需要在波束空間內(nèi)確定一個穩(wěn)定的相位中心。而包含各個切面相位中心的最小半徑球體的球心，并不能代表同時考慮整個波束空間的相位中心。為了描述這種波束空間內(nèi)的天線相位中心，需要引入平均(視在)相位中心的概念。平均相位中心的含義為:整個天線波束空間內(nèi)的實際等相面如果用一個理想等相球面來擬合，擬合殘差的平方和最小，則擬合球面的球心即為天線的平均相位中心。

采用解析法計算天線的平均相位中心過于復(fù)雜，而通過優(yōu)化算法對天線平均相位中心進(jìn)行標(biāo)定則相對簡單。平均相位中心的標(biāo)定是通過計算立體角內(nèi)各點相位，優(yōu)化天線在參考坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行的。其一般步驟如下：

1) 仿真軟件計算得到天線在參考坐標(biāo)下立體角內(nèi)各點相位；

2) 通過優(yōu)化算法更新機制，得到一組天線相對參考坐標(biāo)的新位置；

3) 根據(jù)相位方向圖變化規(guī)律，計算得到天線在某新位置下立體角內(nèi)各點相位；

4) 根據(jù)視在相心的定義，對每新位置求出線性最小二乘意義下的相位最平坦值[13](適應(yīng)度值)；

5) 重復(fù)步驟2)～4)，直到天線在立體角內(nèi)每個切面的相位方向圖近似為直線。

利用HFSS軟件仿真得到天線立體角內(nèi)各點相位。同樣，參考點(0,0,0)位于天線地板圓心，天線phi隔30°取一個面，theta在±50°范圍內(nèi)每隔1°取一個點。表3給出了通過優(yōu)化算法得到天線的平均相位中心，圖7則給出了按0°方向修正后的相位方向圖。從仿真數(shù)據(jù)可以看出：在平均相位中心上，相位波動小于1.2°。因此，對比表1中最小半徑球心上的相位波動，平均相位中心更適合作為整個波束空間的相位中心。

(a) f = 2.25 GHz

(b) f = 2.45 GHz

(c) f = 2.70 GHz圖7 天線各頻率修正相位方向圖

表3 平均相位中心優(yōu)化計算結(jié)果(三饋點)

3. 實驗結(jié)果

在仿真的基礎(chǔ)上，制作了實物并進(jìn)行了相關(guān)測試。圖8給出了天線實物的正面和背面，正面中心部分為圓形輻射片，并利用三個直徑1.6 mm的金屬銅柱，垂直地穿過介質(zhì)基板和金屬地(由隔離孔隔開)，連接輻射片和功率分配器輸出端口。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(WILTRON37269A)測試天線的反射系數(shù)曲線，結(jié)果如圖9所示。對比仿真和實測結(jié)果可以看出：除了實際測試結(jié)果偏向低頻外，兩者基本吻合。測試結(jié)果偏低頻的原因：1)印制板介電常數(shù)的本身誤差，2)加工制作的精度誤差，3)測量本身引入的誤差。仿真和實物的偏差可通過后期對實物的修正加以解決。圖10給出了天線xoz面和yoz面輻射方向圖的實測結(jié)果。圖11給出了天線增益和軸比的實測結(jié)果。

圖8 三饋點微帶天線實物照片

圖9 天線反射系數(shù)實測結(jié)果

(c) 2.65 GHz圖10 天線輻射方向圖實測結(jié)果

圖11 天線增益與軸比實測結(jié)果

4. 結(jié) 論

本文提出一種新穎的三饋點微帶天線。該天線在一定帶寬內(nèi)實現(xiàn)了圓極化特性，并有較高的相位中心穩(wěn)定度。優(yōu)化計算結(jié)果表明：在整個工作帶寬內(nèi)，天線相位中心的穩(wěn)定度在1 mm內(nèi)。同時，本文還給出了三饋點天線能獲得圓極化輻射的理論推導(dǎo)。利用電磁場仿真軟件HFSS對天線模型進(jìn)行了仿真，并制作了天線初樣產(chǎn)品，仿真結(jié)果和實測結(jié)果一致性較好，驗證了理論推導(dǎo)和天線設(shè)計的正確性。因此，該天線結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在定位及測向系統(tǒng)的終端設(shè)備中。

[1] CHEN H M, WANG Y K, LIN Y F, et al. Microstrip-Fed Circularly Polarized Square-Ring Patch Antenna for GPS Applications[J]. IEEE Trans on AP, 2009, 57(4): 1264-1267.

[2] TONG K F, WONG T P. Circularly Polarized U-Slot Antenna[J]. IEEE Trans on AP, 2007, 55(8): 2382-2385.

[3] MAK K M, LUK K M. A Circularly Polarized Antenna With Wide Axial Ratio Beamwidth[J]. IEEE Trans on AP, 2009, 57(10): 3309-3312.

[4] WONG K L, CHIOU T W. Broad-band single-patch circularly polarized microstrip antenna with dual capacitively coupled feeds[J]. IEEE Trans on AP, 2001, 49(1): 41-44.

[5] 金元松,董明玉,何紹林,等.對數(shù)周期偶極子天線的可變相位中心[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2001, 16(3):323-328.

JIN Yuansong, DONG Mingyu, HE Shaolin, et al.The variable phase center of the log-periodic dipole an-tenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2001, 16(3): 323-328. (in Chinese)

[6] 唐 璞,李 欣,王 建,等.計算天線相位中心的移動參考點法[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2005, 20(6): 725-728.

TANG Pu, LI Xin, WANG Jian, et al. Calculation of phase center for the antenna with the method of mov-ing reference point[J]. Chinese Journal of Radio Sci-ence, 2005, 20(6): 725-728. (in Chinese)

[7] 金元松,任曉飛,冀海鳴,等.對數(shù)周期偶極子天線全空間可變相位中心[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2007, 22(2): 229-233.

JIN Yuansong, REN Xiaofei, JI Haiming, et al. Var-iable phase center of the log-periodic dipole antenna in full space[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007,22(2): 229-233. (in Chinese)

[8] DOZAR D M, DUFFY S M. A dual-band circularly polarized aperture-coupled stacked microstrip antenna for global positioning satellite[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1997, 45(11): 1618-1625.

[9] 丁克乾，何炳清. 一種星載高相位中心穩(wěn)定度雙頻GPS天線[J]. 遙測遙控, 2007, 28(11): 182-186.

DING Keqian, HE Bingqing. A dual band GPS antenna with high stability of phase center used on satellites[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Comman, 2007, 28(11): 182-186. (in Chinese)

[10] 何炳清, 丁克乾. 天線相位中心的推算及標(biāo)定[J]. 遙測遙控, 2009, 30(6): 66-69.

HE Bingqing, DING Keqian. Calculation and measurement of antenna phase center[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Comman, 2009, 30 (6): 66-69. (in Chinese)

[11] 鐘順時. 微帶天線理論與應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1991.

[12] 張福順, 張進(jìn)民. 天線測量[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1995.

[13] 陳 曦, 傅 光, 龔書喜, 等. 陣列天線相位中心的計算與分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2010, 25(2): 330-335.

CHEN Xi, FU Guang, GONG Shuxi, et al. Calculation and analysis of phase center on array antennas[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2010, 25(2): 330-335. (in Chinese)