圓極化磁偶極子天線設(shè)計(jì)

黃 偉，孫保華，孫 凌，孫 喬

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展，對機(jī)載通信系統(tǒng)提出了更高的要求，天線作為機(jī)載通信系統(tǒng)中重要的組成部分，對整個(gè)通信系統(tǒng)性能的好壞有著直接影響［1］。機(jī)載天線一般具有小型化，重量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)。在一些特殊環(huán)境中，為滿足空氣動(dòng)力學(xué)的要求，還需將天線與機(jī)體集成在一起，或者將天線嵌入到飛行器中。為保證飛行器安全，需要與衛(wèi)星進(jìn)行良好的通信，常需要一個(gè)GPS天線，而此類天線一般為圓極化天線。

微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化一般采用切角或者開槽等方式［2－5］，這類天線一般很小并且容易加工。但微帶天線一般不能不受任何影響地完全嵌入到飛行器中。文獻(xiàn)［6～7］提出了另外一種使用交叉偶極子實(shí)現(xiàn)圓極化的方式，該天線具有寬頻帶、寬波束以及良好的輻射特性等優(yōu)點(diǎn)，但是此類天線通常需要四分之一波長的高度。文獻(xiàn)［8～9］提出了一種可用于GPS頻段的四臂螺旋天線，但是這類天線一般需較復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，且不適宜作為可嵌入的機(jī)載GPS天線使用。

上述天線都無法無縫隙地嵌入到飛行器中，與飛行器集成。本文根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了具有低輪廓、可嵌入等優(yōu)點(diǎn)的圓極化磁偶極子天線，且加工了實(shí)物，并進(jìn)行了測試。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1給出了圓極化磁偶極子天線的俯視圖和側(cè)視圖。如圖所示，天線由并聯(lián)而成的兩對末端短路的領(lǐng)結(jié)形貼片、饋電部分和地板3部分組成。饋電部分由兩段長度和寬度分別為 L1，W1和 L2，W2的微帶線組成，印刷在介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板正面。介質(zhì)板的背面印刷著領(lǐng)結(jié)形貼片，如圖所示，地板和貼片天線水平部分大小相同，周圍分別短路。末端短路的領(lǐng)結(jié)貼片與地板組成一對磁偶極子，兩對磁偶極子并聯(lián)且垂直放置。天線的總體尺寸為L×W×h，表1給出了該天線的詳細(xì)尺寸。

圖1 磁偶極子天線結(jié)構(gòu)圖

表1 圓極化磁偶極子詳細(xì)尺寸 mm

2 天線性能

(1)L4對天線S參數(shù)及軸比的影響。主要研究了領(lǐng)結(jié)形貼片前端寬度L4對天線端口反射系數(shù)S11的影響。對 L4=8.5、9.5、10.5、11.5 mm，4 種情況進(jìn)行了討論。如圖2和圖3所示，當(dāng)L4增加時(shí)，主要影響輸入端口阻抗匹配，同時(shí)影響軸比，使得軸比往高頻偏。因此，選擇合適的L4可使天線在工作頻帶內(nèi)具有良好的軸比。

圖2 L4對天線反射系數(shù)S11的影響

圖3 L4對天線反射系數(shù)S11的影響

(2)W4對天線S參數(shù)及軸比的影響。為了使天線更牢固，將兩對磁偶極子在末端連接起來。下面主要研究連接部分的寬度W4對天線輸入端口反射系數(shù)S11以及軸比的影響。在天線其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，分別討論了 W4=6、8、10、12 mm 這4種情況。圖4和圖5分別給出了W4對天線反射系數(shù)和軸比的影響。可看出，W4對天線的反射系數(shù)影響較小，對端口輸入阻抗匹配有微調(diào)的作用。隨著W4的增加，軸比往高頻偏，因此，也可通過調(diào)整W4對軸比進(jìn)行微調(diào)，使天線在工作頻段具有良好的軸比。由于領(lǐng)結(jié)形貼片末端短路，與地板相連接，組成磁偶極子，因此用一小段貼片將兩對磁偶極子在末端連接起來對天線的性能應(yīng)該影響不大，對W4的研究驗(yàn)證了這一點(diǎn)。通過選取合適的W4，使得天線在結(jié)構(gòu)上更牢固，同時(shí)在所需要的工作頻段內(nèi)具有良好的阻抗匹配和軸比特性。

圖4 W4對天線反射系數(shù)S11的影響

圖5 W4對天線軸比的影響

基于上述分析，調(diào)節(jié)L4和W4均可對天線的輸入端口反射系數(shù)和軸比有微調(diào)作用。選取L4=10.5 mm和W4=8 mm比較合適，可使天線工作在GPS頻段內(nèi)，且在此頻段內(nèi)具有良好的圓極化輻射特性。

仿真分析，按照表1實(shí)際制作了該天線的實(shí)物，如圖6所示。

圖6 圓極化磁偶極子天線實(shí)物圖

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該天線實(shí)物的電參數(shù)進(jìn)行測量，圖7給出該天線的反射系數(shù)S11的測試結(jié)果，且給出了仿真結(jié)果作為對比。如圖所示，天線的S參數(shù)測試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好，細(xì)小的差別可能是由于加工誤差引起的。測量結(jié)果顯示，在1.19～1.27 GHz的頻率范圍內(nèi)，天線的輸入端口反射系數(shù)＜－10 dB，相對帶寬為6.5%?？蓾M足GPS天線的基本要求，工作在GPSL2頻段內(nèi)。

圖7 圓極化磁偶極子天線的反射系數(shù)S11

圖8給出了該天線的測量軸比特性曲線圖，同時(shí)也給出了仿真結(jié)果曲線作為對比。如圖所示，仿真的3 dB軸比帶寬為33 MHz(1.211～1.244 GHz)，而測量的3 dB軸比帶寬為32 MHz(1.209～1.241 GHz)。在1.227 5 GHz頻點(diǎn)，軸比為0.72 dB，表明天線輻射圓極化波。

圖8 圓極化磁偶極子天線的軸比

圖9給出了該天線的測量增益曲線圖，為便于比較，同時(shí)也給出了仿真曲線圖。仿真結(jié)果表明，在1.227 5 GHz頻點(diǎn)，天線的增益為6.85 dBic。而測試結(jié)果表明，在1.227 5 GHz，天線的增益為6.53 dBic。測量值比仿真值低，原因可能是所使用的介質(zhì)，銅以及SMA同軸連接器等造成的損耗。從圖中還可看出，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，天線具有相對穩(wěn)定且較高的增益。

圖9 圓極化磁偶極子天線的增益

圖10給出了天線在1.227 5 GHz頻段處的測量與仿真的遠(yuǎn)場方向圖。如圖所示，天線輻射的是右旋圓極化波，最大輻射方向在z軸正向，且在xoz面和yoz面輻射方向圖是對稱的，天線具有良好的輻射特性。

圖10 圓極化磁偶極子天線的方向圖

通過上述研究，該天線工作在GPS頻段，且具有良好的輻射特性。由于天線四周短路，形成了一個(gè)封閉且穩(wěn)定的盒子，同時(shí)該天線還具有低剖面的優(yōu)點(diǎn)，因此，可將該天線嵌入到金屬飛行器中，作為機(jī)載GPS天線使用，使金屬飛行器和衛(wèi)星具有良好的通信。

3 結(jié)束語

提出了一種新型的圓極化磁偶極子天線，主要由兩對磁偶極子天線正交并聯(lián)構(gòu)成。通過調(diào)整兩對磁偶極子天線的臂長，可實(shí)現(xiàn)圓極化。通過軟件仿真和實(shí)物測量，結(jié)果表明該天線具有良好的電特性和輻射特性。該天線可嵌入到飛行器中，作為GPS天線與衛(wèi)星通信。

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