一種新型彈載共形多極化天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉宗全，錢祖平，2，韓振平，倪為民

(1解放軍理工大學(xué)，南京 210007;2東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

0 引言

微帶天線由于具有剖面低、體積小、重量輕、易于與載體共形等特點(diǎn)，近年來被廣泛用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等飛行器上。在實(shí)際應(yīng)用中，往往還要求天線具有較寬的波束來穩(wěn)定接收信號。一般展寬天線波束的方法有減小輻射寬邊尺寸、采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板等[1－2]或是利用介質(zhì)天線技術(shù)，通過增大天線的切向輻射來展寬波束[3]。文獻(xiàn)[4]通過激發(fā)起高次模，用高次模的方向圖來補(bǔ)償基模的方向圖。文獻(xiàn)[5]則設(shè)計(jì)了一種四臂螺旋天線，獲得了較寬的波束。

為了能夠滿足彈載天線在運(yùn)動(dòng)過程中低仰角增益的要求，文獻(xiàn)[6]在微帶天線中附加單極子天線，設(shè)計(jì)了一種三極化天線。這種天線充分利用空間坐標(biāo)系3個(gè)軸方向相互正交的特點(diǎn)，最多可以接收空間電場的3個(gè)獨(dú)立分量。這樣飛行器在運(yùn)動(dòng)過程中，就能穩(wěn)定地收發(fā)信號。

現(xiàn)有的三極化天線有3個(gè)端口，均是線極化工作，且剖面較高。文中提出的天線是一種共形天線，由圓極化工作的微帶貼片天線和與之正交放置的加載圓盤的單極子構(gòu)成。兩個(gè)端口分別工作在圓極化和線極化方式。相對于三極化天線需要3個(gè)獨(dú)立端口，該天線僅需要兩個(gè)端口就可實(shí)現(xiàn)相同的功能。因此相當(dāng)于減少了一個(gè)處理通道，這對簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高信號處理能力有重要意義。并且該天線在1.575GHz的工作頻率上，剖面更低，總高度為7mm。

1 天線設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)圓極化工作，該天線采用等幅且相位相差90°的雙饋點(diǎn)饋電方式。饋電網(wǎng)絡(luò)采用威爾金森功分器。天線的兩個(gè)饋點(diǎn)正交放置在距圓形貼片中心等距離處，通過饋電網(wǎng)絡(luò)對其等幅且相位相差90°饋電，激勵(lì)起正交簡并模，從而輻射圓極化波。

線極化工作方式是通過單極子天線來實(shí)現(xiàn)的。在地板和輻射貼片中心開直徑為l2的過孔，單極子天線穿過上下兩層介質(zhì)及過孔，伸出圓形輻射貼片，延伸長度為h4，并在頂部與一個(gè)圓盤相連，圓盤半徑為r4。加載的圓盤被腐蝕在介質(zhì)基板上。同時(shí)焊接3根銅柱將輻射貼片和加載圓盤短接，呈等邊三角形分布于單極子周圍，距貼片中心距離為r2。單極子天線由一段特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線對其饋電，饋電端口位于圓極化工作端口的另一側(cè)。

天線具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線輻射貼片半徑為r3，接地板位于輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)之間，邊長為l1，最底層為饋電網(wǎng)絡(luò)。從下至上介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)分別為 2.5，3.0 和 2.2，厚度分別為 h1、h2、h3。單極子圓盤與50Ω饋線間由銅柱連接。饋電網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸出端通過地板上的兩個(gè)過孔由金屬銅柱連接至圓形輻射貼片，輸出端距貼片中心距離為r1。所有銅柱半徑均為0.5mm。圓極化、線極化饋電端口分別為M1和M2。具體尺寸如表1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 各尺寸參數(shù)mm

文中采用了圓盤加載單極子天線而不是四分之一波長單極子天線作為輻射單元，有效減小了單極子天線的高度。圓盤位于圓形輻射貼片上面，對于圓極化工作端口來說相當(dāng)于寄生貼片，因此可以展寬阻抗帶寬，提高圓極化性能。在1.575GHz的工作頻率，四分之一波長單極子需要約48mm的高度。為保證共形的要求，文中采用的圓盤加載單極子的高度為6mm。為增加天線的機(jī)械強(qiáng)度，提高加工精度，加載圓盤被腐蝕在介質(zhì)基板上，同時(shí)還可以減小圓盤的尺寸。隨著加載單極子高度的降低，加載圓盤和地板間的等效并聯(lián)電容增加。為了抵消并聯(lián)電容的影響，需要

引入等效并聯(lián)電感，使并聯(lián)電感、電容構(gòu)成的諧振電路在天線的工作頻帶內(nèi)諧振而對消，從而實(shí)現(xiàn)純阻性的天線輸入阻抗。這里選擇均勻分布的3個(gè)短接銅柱來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感。從單極子天線加載的圓盤端口看進(jìn)去的等效電路如圖2所示。

圖2中，G為單極子圓盤的等效輻射電導(dǎo);L為短接銅柱引入等效并聯(lián)電感;C1為圓盤和輻射貼片間的等效并聯(lián)電容;C2為輻射貼片和大地間的等效并聯(lián)電容;C3為圓盤和大地間的等效并聯(lián)電容。電路分析可得輸入導(dǎo)納Yin為：

圖2 單極子天線等效電路

顯然，當(dāng)電感L取合適的值時(shí)，可以使輸入導(dǎo)納的虛部為零，從而得到純阻性的輸入阻抗。圖3給出的是加載短接銅柱對單極子端口匹配特性的影響。從圖中可見，未加銅柱之前，在整個(gè)頻帶內(nèi)幾乎沒有任何匹配，加載后匹配性能良好。

圖3 探針加載的影響

圖4 距離r2對單極子天線匹配的影響

同時(shí)，短路銅柱距貼片中心的距離對天線匹配的影響也較大。圖4給出的是不同距離r2下單極子天線端口的匹配情況。圖中可見，當(dāng)距離越小時(shí)，天線匹配性能越好，同時(shí)諧振頻率向低頻偏離。這可以解釋為當(dāng)r2越小時(shí)，銅柱上流過的電流越大，輻射效率越高，匹配就越好，等效并聯(lián)電感增大，根據(jù)式(1)可知，角頻率ω就會(huì)減小，從而諧振頻率降低。

2 天線仿真及測量結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，制作了原型天線，天線實(shí)物如圖5所示。

圖5 天線實(shí)物圖

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的S參數(shù)進(jìn)行了測量，仿真和測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 各端口的回波損耗及隔離度

圓極化天線饋電網(wǎng)絡(luò)中的隔離電阻以及加載的圓盤作為寄生貼片，展寬了M1端口的阻抗帶寬。圖中看出，實(shí)測結(jié)果表明，M1端口阻抗帶寬為1.21～1.85GHz，相對帶寬達(dá)到41.8%，M2端口為1.54 ～1.61GHz，相對帶寬為4.4%。端口M1和M2間的隔離度大于15dB。由于端口M1連接的微帶線與饋電網(wǎng)絡(luò)輸出支路平行放置，且饋電網(wǎng)絡(luò)的饋電探針與單極子距離較近，使得端口間能量有一些耦合，對隔離度產(chǎn)生了影響。圖7給出的是軸比隨頻率變化曲線。從中可以看出，天線軸比帶寬為 1.45 ～1.8GHz，相對帶寬為 21.5%。

圖7 圓極化天線軸比隨頻率變化曲線

圖8為天線的實(shí)測歸一化方向圖。圖8(a)、圖8(b)為端口M1在1.575GHz處的方向圖?？梢钥闯?，圓極化天線的最大輻射方向在正z軸方向，能夠接收平行于x軸和y軸的電場分量。圖8(c)、圖8(d)為端口M2在1.575GHz處的方向圖?？梢钥闯觯瑔螛O子天線最大輻射方向在xoy面內(nèi)，能夠接收平行于z軸的電場分量。因此，該天線可以接收平行于x、y、z軸的電場分量。圖9給出的是線極化和圓極化端口的實(shí)測增益曲線圖。圖中可以看出，單極子天線的增益穩(wěn)定在2dB左右，而圓極化天線的增益帶寬較窄。這是因?yàn)閳A極化天線的增益帶寬主要由輻射貼片的尺寸決定，其他諧振點(diǎn)由功分器和寄生貼片產(chǎn)生，對增益并沒有貢獻(xiàn)。

圖8 各端口實(shí)測歸一化方向圖

3 結(jié)論

文中提出了一種新型彈載共形天線。該天線在水平面內(nèi)圓極化工作，在垂直面內(nèi)線極化工作。實(shí)測結(jié)果表明，性能指標(biāo)與理論分析吻合。天線兩個(gè)端口間隔離度大于15dB，能夠接收空間電場的3個(gè)正交分量，保證了載體在運(yùn)動(dòng)過程中能夠穩(wěn)定接收信號。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，剖面低，性能良好，可用于彈載共形天線使用。同時(shí)該天線的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過頻率搬移后可用在其他頻段上，因此在個(gè)人、車載等移動(dòng)通信領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。

圖9 各端口實(shí)測增益曲線

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