一種寬頻帶二元微帶天線陣的設(shè)計(jì)與制作

丁衛(wèi)平 李洪彬 余同彬

（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1.引 言

圓極化微帶天線以其重量輕、剖面低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)在移動(dòng)、衛(wèi)星通信中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的單點(diǎn)饋電圓極化微帶天線具有較窄的軸比帶寬，通常小于2%［1－2］，利用雙點(diǎn)或四點(diǎn)正交饋電及填充空氣層的方法可有效擴(kuò)展天線的軸比帶寬及阻抗帶寬，但這種結(jié)構(gòu)增益較低［3－4］。近年來(lái)，層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不僅能提高天線的阻抗帶寬，而且還能提高天線增益［5－7］，但為了得到優(yōu)化的阻抗帶寬，層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線往往需要較高的剖面，文獻(xiàn)［5］和［6］所設(shè)計(jì)的天線高度約為0.1λ，文獻(xiàn)［7］中天線高度為0.14λ.支節(jié)匹配技術(shù)可以調(diào)節(jié)微帶天線的阻抗帶寬［8］，本文在天線高度僅為0.04λ的條件下，利用調(diào)諧支節(jié)優(yōu)化了層疊結(jié)構(gòu)微帶天線的阻抗帶寬（約為11.3%）。

在圓極化微帶天線陣的設(shè)計(jì)中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電在不引入其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情況下，能夠進(jìn)一步提高天線陣的圓極化純度及阻抗帶寬［9－10］。本文將連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電方式用于二元層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線陣中，采用Ansoft HFSS10進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線陣仿真的 －10dB 阻抗帶寬為48.7%，從1.15～1.89GHz.天線陣的1dB增益帶寬為13.2%，在1.49～1.7GHz的頻率范圍內(nèi)增益均大于11dB，最大增益達(dá)12.1dB.天線陣的軸比在1dB增益帶寬內(nèi)均小于0.8dB.最后制作了相應(yīng)的二元微帶天線陣，測(cè)試結(jié)果與仿真吻合較好。該天線陣適用于現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如 AMS（Australian MobilesatTM System），它的工作頻率為1.545～1.559 GHz及1.646～1.661GHz，極化方式為右旋圓極化。

2.天線陣單元設(shè)計(jì)

圖1 層疊結(jié)構(gòu)的單元微帶天線模型

采用方形貼片的形式設(shè)計(jì)了層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線，如圖1所示。天線的激勵(lì)貼片與饋電微帶線蝕刻在同一層介質(zhì)板上，寄生貼片通過(guò)介質(zhì)柱架在寄生貼片的正上方，空氣層的厚度為h2，激勵(lì)貼片與寄生貼片的邊長(zhǎng)分別為L(zhǎng)2與L1.單元天線地板尺寸為L(zhǎng)g×Lg，介質(zhì)板厚度為h1，介電常數(shù)為εr.激勵(lì)貼片饋電微帶線的寬度為W1，其為50Ω的傳輸線。在距離貼片d1處引入一寬W2長(zhǎng)d2的調(diào)諧支節(jié)。引入調(diào)諧支節(jié)的目的是抵消輸入阻抗的虛部，使天線得到良好的匹配。

饋電采用微帶線側(cè)饋而沒(méi)有使用探針饋電，一方面是因?yàn)樘结樦g具有較為嚴(yán)重的耦合作用，會(huì)導(dǎo)致天線的圓極化性能變差；另一方面，把饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片做于同一層，使天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，而且抑制了饋電網(wǎng)絡(luò)的后向輻射。

適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)激勵(lì)貼片與寄生貼片的距離及貼片各自的大小可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。兩個(gè)貼片間的距離保持0.04λ，利用調(diào)諧支節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，單元天線實(shí)現(xiàn)了11.3%的阻抗帶寬，從1.50～1.675 GHz，圖2為加入調(diào)諧支節(jié)與未加調(diào)諧支節(jié)的S11仿真曲線，兩種情況下其他尺寸均相同，分別為L(zhǎng)g＝145m，L1＝78mm，L2＝61mm，W1＝2.5 mm，h1＝0.8mm，h2＝8mm，εr＝2.2。引入調(diào)諧支節(jié)的尺寸為W2＝2.5mm，d1＝7.5mm，d2＝16mm.由圖2中虛線所示，未加調(diào)諧支節(jié)的情況下兩個(gè)頻點(diǎn)間一段會(huì)隆起，呈現(xiàn)出雙頻特性而不是寬帶特性。加入調(diào)諧支節(jié)相當(dāng)于在輸入端并聯(lián)了一段開(kāi)路傳輸線，通過(guò)調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度可有效抵消輸入阻抗的虛部，同時(shí)它也間接地起到了阻抗變換的作用，改善了匹配效果，如圖2中實(shí)線所示。

圖2 輸入端引入調(diào)諧支與未加調(diào)諧支的S11仿真曲線

引入寄生貼片不僅能擴(kuò)展天線帶寬，還可以提高天線的增益。文獻(xiàn)［6］引入了兩個(gè)寄生貼片，第一個(gè)寄生貼片距激勵(lì)貼片為0.075λ，用于提高天線的阻抗帶寬，當(dāng)?shù)诙€(gè)寄生貼片距第一個(gè)寄生貼片為0.5λ時(shí)，可將天線的增益提高3.5dB.但這種方法大大增加了天線的縱向高度，破壞了微帶天線的低剖面特性。出于小型化考慮，本文將寄生貼片與激勵(lì)貼片的距離設(shè)置為0.04λ，與傳統(tǒng)單層微帶天線相比，層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線增益也得到了提高。圖3為f＝1.6GHz時(shí)層疊結(jié)構(gòu)微帶天線與單片微帶天線的增益仿真曲線，加入寄生貼片后天線方向圖波瓣變窄，而增益提高了1.6dB，頂點(diǎn)增益為9.3 dB.

圖3 層疊結(jié)構(gòu)與單片微帶天線的增益仿真曲線

3.連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電天線陣設(shè)計(jì)

根據(jù)前文設(shè)計(jì)的單元天線，運(yùn)用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電的方式將兩個(gè)單元組成二元天線陣，天線陣結(jié)構(gòu)如圖4所示。天線陣間距取為0.82λ，饋電網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)Wikinson功分器構(gòu)成，如圖4所示，天線陣中單元2相對(duì)于單元1旋轉(zhuǎn)了90°，而且單元2饋電相位比單元1滯后90°，這樣構(gòu)成了雙單元的連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電模式，天線陣極化方式為右旋圓極化。

圖4 連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電的雙單元微帶天線陣示意圖

圖5給出了天線陣的S11仿真與測(cè)試曲線，測(cè)試曲線的效果比仿真曲線差一些，這可能是引入超小A型SMA（Sub－Miniature－A）接頭以及加工誤差帶來(lái)的影響。圖6給出了天線陣的增益和軸比隨頻率變化的仿真曲線以及測(cè)試點(diǎn)，如圖所示，測(cè)試結(jié)果與仿真吻合較好，天線陣的增益在1.48～1.68GHz的頻率范圍內(nèi)大于11dB，增益隨頻率變化起伏不超過(guò)1dB，測(cè)試的最大增益為11.8dB，比仿真的最大增益12.1dB略小。在1.45～1.7GHz的頻率范圍內(nèi)天線陣正前方向的軸比均小于1dB，具有較好的圓極化性能。圖7給出了工作頻率f＝1.55 GHz時(shí)，天線陣前向180°軸比和增益的測(cè)試曲線。

測(cè)試結(jié)果表明連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電用于層疊結(jié)構(gòu)微帶天線陣中可以有效提高天線陣的性能。天線陣帶寬的提高是因?yàn)槔昧藢盈B結(jié)構(gòu)的微帶天線單元，寄生貼片和激勵(lì)貼片同時(shí)工作在臨近的頻率上，進(jìn)而拓展了微帶天線的帶寬。連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)顯著地提高了二元微帶天線陣的圓極化純度，使得天線陣的軸比在1dB的增益帶寬內(nèi)均小于1dB，圖8為天線陣的實(shí)物圖。

圖7 天線陣的增益與軸比測(cè)試曲線

圖8 天線陣實(shí)物圖

4.結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電下雙單元圓極化微帶天線陣。采用層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線作為天線陣單元，引入調(diào)諧支節(jié)優(yōu)化了阻抗帶寬，同時(shí)降低了天線的高度。測(cè)試結(jié)果表明連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)可以有效提高天線陣的圓極化純度，天線陣軸比在1dB的增益帶寬內(nèi)均小于1dB，最大增益達(dá)11.8dB.綜上所述，該天線陣具有頻帶寬、增益高、圓極化性能好的優(yōu)點(diǎn)，工作帶寬覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)AMS（Australian MobilesatTM System）的兩個(gè)頻段，具有良好的應(yīng)用前景。

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