一種小型化寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計

秦文奕

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都610036)

0 引言

從結(jié)構(gòu)上說，微帶天線實(shí)際上就是一塊印刷電路板，全部功率分配器、匹配網(wǎng)絡(luò)、輻射器都可以刻在介質(zhì)板的一側(cè)，另一側(cè)為金屬地板。微帶天線由于其結(jié)構(gòu)簡單，剖面低而被廣泛應(yīng)用，但帶寬較窄，是其技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。目前軍用和民用多點(diǎn)通信系統(tǒng)對天線工作頻率范圍要求較大，太窄的帶寬導(dǎo)致很多微帶天線由于不能滿足寬頻帶工作要求而被棄用［1］。微帶天線的圓極化工作可以通過使用兩個獨(dú)立的饋源或是使用一分二功分器的單個饋源來激勵實(shí)現(xiàn)，前者的帶寬較窄，3 dB軸比帶寬為1%［2－3］。采用功分器雖然能顯著改善天線的工作帶寬，但是同時也增大了天線體積。文中采用同軸線背饋方式，利用U形地板，根據(jù)帶狀線的理論設(shè)計一分二威爾金森功分器［4－5］，實(shí)現(xiàn)了圓極化微帶天線的寬帶工作和結(jié)構(gòu)小型化。

1 天線設(shè)計

為了展寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，天線一般采用雙饋點(diǎn)圓極化微帶結(jié)構(gòu)［6－7］，饋電網(wǎng)絡(luò)采用一分二的威爾金森功分器。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1(a)、圖1(b)分別為頂視圖和側(cè)視圖。天線的輻射單元是邊長為36 mm的方形貼片，在貼片的A、B兩點(diǎn)等幅、相差90度饋電來實(shí)現(xiàn)圓極化輻射;接地板采用直徑約為80 mm、高度為12 mm的U形結(jié)構(gòu)，同軸電纜的探針從U形地板底部對功分器進(jìn)行饋電，功分器將饋源輸入的信號分成兩路等幅不同相的信號，通過穿過饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)層的兩根金屬導(dǎo)體對上層貼片進(jìn)行饋電，饋電點(diǎn)的XY面坐標(biāo)為(x0，y0)。采用這種饋電結(jié)構(gòu)大大地減小了附加功分器后天線的整體體積，同時可以獲得良好的寬帶特性和圓極化特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意Fig．1 Structure of the antenna

在設(shè)計功分器時運(yùn)用帶狀線理論［8］，饋電網(wǎng)絡(luò)采用非對稱帶狀線結(jié)構(gòu)。如圖1所示，功分器的饋線可以看作帶狀線中間的導(dǎo)體帶，上下接地板之間的上半空間填充高介電常數(shù)材料，下半空間為空氣介質(zhì)，選擇導(dǎo)體帶寬度及長度以保證功分器輸入、輸出端50 Ω的阻抗和兩個輸出端具有90度的相位差。在設(shè)計了天線及饋電網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)基本參數(shù)后，借助成熟的商業(yè)仿真軟件Ansoft HFSS12對天線和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真分析，仿真模型如圖2所示。

圖2 天線仿真模型Fig．2 Simulation model of the antenna

從圖2中可以看出，仿真模型主要包括三層，下層為饋電網(wǎng)絡(luò)的空氣層，中間層為饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)層，上層為采用高介電常數(shù)的貼片天線。在饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端設(shè)置了三根短路金屬柱體以減少饋電端能量的損失，從而獲得更好的駐波比帶寬。

2 仿真及實(shí)測結(jié)果分析

為了盡可能的減小天線體積，文中天線及饋電網(wǎng)絡(luò)均選用了εr=9．6的高介電常數(shù)介質(zhì)基板，天線具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。根據(jù)理論仿真結(jié)果，制作出了單點(diǎn)背饋的寬帶圓極化天線，天線實(shí)物如圖3所示。從圖3中可以看出該天線結(jié)構(gòu)簡單，外形簡潔美觀。

表1 天線設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of the antenna

圖3 天線實(shí)物照片F(xiàn)ig．3 Photograph of the antenna

對根據(jù)表1所列參數(shù)設(shè)計加工的天線各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測試，圖4為天線駐波曲線，圖5為天線圓極化軸比曲線，從圖中可以看出實(shí)測結(jié)果與仿真值吻合較好，天線在1．05～1．45 GHz帶寬范圍內(nèi)駐波比小于2，在1．05～1．40 GHz頻率范圍內(nèi)軸比小于3 dB。天線中心頻率方向圖如圖6所示，從圖6中可以看出天線方向圖具有良好的對稱性。

圖4 天線駐波曲線Fig．4 VSWR of the antenna

圖5 天線軸比曲線Fig．5 Axial ratio of the antenna

圖6 天線中心頻率軸比增益方向Fig．6 Gain pattern of the center frequency

3 結(jié)語

文中設(shè)計了一種寬頻圓極化微帶天線，天線采用同軸饋電，利用U形接地板，根據(jù)帶狀線理論設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化。天線VSWR≤2的帶寬達(dá)到了30%，3 dB軸比達(dá)26%，最大增益約為4 dB，且方向圖對稱。實(shí)測值與仿真值具有較好的一致性。該天線具有成本低，可靠性高，調(diào)試量小，適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航等系統(tǒng)。

［1］ 吳鈺，屈紹波，戴惠瑩，等．一種復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的寬頻微帶天線［J］．通信技術(shù)，2008，41(10):35－37．WU Yu，QU Shao－bo，DAI Hui－ying，etc．Analysis and Design of A New Broad band Microstrip Antenna based on Composite Right/Left－h(huán)anded Transmission Line Structure［J］．Communications Technology．2008，41(10):35－37．

［2］ CHEN T B，JIAO Y C，ZHANG F S．The Design of Broad-Band Circularly Polarized Microstrip Antenna［C］//Microwave Conference Proceedings，2005．Asia－Pacific Conference Proceedings．［s．l．］:IEEE，2005:1－4．

［3］ LAU K L，LUK K M．A Novel Wide－Band Circularly Polarized Patch Antenna Based on L－Probe and Aperture－Coupling Techniques［J］．IEEE Trans．on AP，2005，48(01):577－580．

［4］ 楊軍，邵建興，李校林．一種S頻段的多頻微帶天線的分析與設(shè)計［J］．通信技術(shù)，2009，42(06):46－48．YANG Jun，SHAO Jian－xing，LI Xiao－lin．Analysis and Design of a S－Band Multi－frequency Microstrip Antenna［J］．Communications Technology．2009，42(06):46－48．

［5］ 劉瑩，李萍．新型寬帶容性饋電微帶天線單元仿真設(shè)計［J］．通信技術(shù)，2008，41(11):47－49．LIU Ying，LI Ping．A Novel Broadband Microstrip Antenna with Capacitive Feed［J］．Communications Technology．2009，42(06):46－48．

［6］ WONG Kin－Lu．Compact and Broadband Microstrip Antennas［M］．［s．l．］:John Wiley ＆ Sons，Inc．2002:298－305．

［7］ 陳騰博，焦永昌，張福順．一種寬頻帶圓極化微帶天線的設(shè)計［J］．空間電子技術(shù)，2006(03):61－64．CHEN Teng－bo，JIAO Yong－chang，ZHANG Fu－shun．TheDesign of BroadBand Circularly Polarized Microstrip Antenna［J］．Space Electronic Technology，2006(03):61－64．

［8］ 閆潤卿，李英惠．微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］．第2版．北京:北京理工大學(xué)出版社，1997:135－141．YAN Run－qing，LI Ying－h(huán)ui．Microwave Techology Fundamentals．2nd ed．Beijing:Beijing Institute of Technology Press，1997:135－141．