寬帶高增益圓極化天線

文耀彤，劉能武，張志亞

(1.中興通信股份有限公司無線產(chǎn)品經(jīng)營部，陜西西安 710114;2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

從微帶天線［1］的概念被提出以來，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、剖面低、易與載體共形等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、射頻識別、導(dǎo)航等領(lǐng)域。而圓極化微帶天線又因其能夠接收任意極化的來波，且其輻射的圓極化波可被任意極化的天線所接收的優(yōu)點而備受青睞。圓極化天線的常用實現(xiàn)方法是單饋點饋電［2－3］，其方法是利用微擾電流的方式，分離得到兩個幅度相等而相位相差90°的簡并模實現(xiàn)圓極化輻射特性。單饋點天線的缺點在于加工誤差敏感，不易調(diào)試。使用多饋點饋電［4－7］是實現(xiàn)圓極化的另一種常用做法，直接在饋電點引入等振幅且相位相差90°的電流幅度。而其中雙點饋電與單點饋點相比，其需額外的饋電網(wǎng)絡(luò)為饋電點提供等幅且相位差90°的激勵電流，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。但雙點饋電圓極化天線的工作帶寬較寬，且便于調(diào)試，所以該方式被廣泛采用。

本文設(shè)計了一種寬帶圓極化蝶形天線，采用雙同軸線結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)饋電，其中饋電網(wǎng)絡(luò)由威爾金森功分器和90°相位器共同組成，其饋電形式能夠在較寬的頻帶內(nèi)提供穩(wěn)定的幅度和相位激勵。在蝶形天線外圍添加方形環(huán)，增加了天線的有效輻射面積，從而達(dá)到了提高天線增益的目的。仿真與測試結(jié)果表明，該圓極化天線VSWR＜1.5的阻抗帶寬達(dá)到63.6%，3 dB軸比帶寬達(dá)到66.7%，且在1.1～1.6 GHz頻段范圍內(nèi)，右旋圓極化增益＞9.4 dB。因此該天線在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文的天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。天線主要由印制在介質(zhì)基片上的貼片、同軸巴倫、饋電網(wǎng)絡(luò)和地板構(gòu)成。印制板上下兩面的貼片結(jié)構(gòu)保持一致，同時印刷在介質(zhì)基片的上下面通過金屬化過孔進(jìn)行短路。蝶形天線通過雙同軸線進(jìn)行饋電激勵。兩同軸線的外皮和同軸芯線分別焊接在對稱的兩個蝶形振子臂上，同時將焊接同軸芯線的臂通過短路銷釘與地進(jìn)行短接。使得同軸線的外皮和短接柱均接地，構(gòu)成了兩對短路傳輸線巴倫結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)平衡饋電。在蝶形貼片外圍添加了矩形環(huán)，并通過8個短路銷釘接地，提升了天線的有效輻射面積，從而提高了天線的增益。饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其主要由兩部分的網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)構(gòu)成。一部分為等功分的威爾金森功分器;另一部分為具有寬帶等相位差特性的90°相位比較器。所設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了天線在較寬的頻帶中提供幅度相等，相位相差90°的輸出饋電。從圖中可看出，端口A為輸入端，端口B、C為輸出端，分別接兩同軸線對天線進(jìn)行激勵饋電。天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)圖

表1 天線參數(shù)

2 仿真和實驗結(jié)果

利用基于有限元法的Ansoft HFSS 14.0對天線進(jìn)行仿真計算。天線原理樣機(jī)照片如圖2所示。圖3給出了天線3種情況下的電壓駐波比曲線。由圖可知，僅有蝶形貼片時，仿真VSWR＜1.5的頻段范圍為0.92～1.72 GHz，相對工作帶寬為60.6%。添加方形環(huán)后，仿真VSWR＜1.5的頻段范圍為0.87～1.8 GHz，相對工作帶寬為69.7%;而天線測試的VSWR＜1.5的相對工作帶寬為63.6%，頻段范圍為0.88～1.7 GHz。仿真結(jié)果與實測結(jié)果之間的微小差異主要是由裝配精度和實際測量環(huán)境引起的。

圖2 天線樣機(jī)

圖3 天線仿真和測試電壓駐波比曲線

在圖4中給出了天線軸比的仿真和測試曲線。僅有蝶形貼片時，天線3 dB軸比帶寬為57.1%。當(dāng)添加方形環(huán)后，天線的仿真3 dB和測試的天線軸比＜3 dB的相對帶寬均為66.7%。以上仿真和測試結(jié)果說明，所設(shè)計的天線具有較寬的阻抗和軸比帶寬。

圖4 天線測試和仿真軸比曲線

圖5給出了天線工作在1.1 GHz、1.35 GHz和1.6 GHz頻率下的歸一化主極化和交叉極化的輻射方向圖。從圖中可看出，測試結(jié)果和仿真結(jié)果曲線吻合良好，且主極化輻射方向圖基本對稱。所設(shè)計天線的主極化輻射方向圖就是右旋圓極化輻射方向圖。從輻射方向圖的測試結(jié)果中可看出，天線軸向的交叉極化比＞15 dB，即說明天線軸向的軸比＜3 dB。

圖5 天線在1.1 GHz、1.35 GHz、1.6 GHz頻點處的輻射方向圖

圖6為天線仿真和測試的增益曲線。僅有蝶形貼片時，在1.1～1.6 GHz頻率范圍內(nèi)，天線的右旋圓極化增益在7.5～9.0 dB內(nèi)變化。當(dāng)在蝶形貼片外圍添加方形環(huán)后，天線的增益提高到9.3 dB以上。由于方形環(huán)的引入，提高了天線的有效輻射面積，所以天線的主極化增益得到了提升。天線右旋圓極化增益的測試結(jié)果在9.4～10.2 dB范圍內(nèi)。天線樣機(jī)增益的測試和仿真結(jié)果吻合良好。

3 結(jié)束語

圖6 天線測試和仿真主極化增益曲線

本文分析并設(shè)計了一種寬帶高增益圓極化天線。該天線采用雙同軸線饋電，實現(xiàn)了VSWR＜1.5的相對阻抗帶寬達(dá)63.6%和AR＜3 dB軸比帶寬達(dá)到了66.7%。通過在蝶形天線的外圍添加方形環(huán)，可提高天線的有效輻射面積，并提升了天線的主極化增益，使天線增益達(dá)到9.4 dB以上。該天線在電子偵察、干擾、電子對抗、全球定位等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

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