新型單饋共口徑三頻三極化微帶天線的設(shè)計(jì)*

李校林 ，魏凡童，張大楊

(1．重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶400065;2．重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶400065)

LI Xiaolin1，2* ，WEI Fantong1，ZHANGDayang1

(1．Chongqing University of Posts and Telecommunications，Research Centre for Application of New Communication

Technologies，Chongqing 400065，China;2．Chongqing Information Technology Designing Co．，Ltd，Chongqing Information Technology Designing Co．，LTD，Chongqing400065，China)

圓極化微帶天線具有極化旋向正交性而具備很強(qiáng)的抗多徑干擾能力，因此在工程中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，在極化隔離、抗多徑特性要求較高的衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，系統(tǒng)對(duì)微帶天線提出了多頻段多種極化工作的要求，特別是雙圓極化性能。雙頻雙圓極化天線在不同頻段輻射正交的圓極化波，實(shí)現(xiàn)了天線的收發(fā)共用從而提高了通信容量。

目前，實(shí)現(xiàn)多頻圓極化的方法主要有以下3種:一是單層介質(zhì)多貼片結(jié)構(gòu)［1－3］，通過(guò)各貼片的尺寸來(lái)確定頻率點(diǎn)，兩貼片分別工作于主模和高次模，這種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、剖面低且便于工程實(shí)現(xiàn);二是采用雙層或多層貼片的層疊結(jié)構(gòu)［4－7］，各層貼片分別輻射不同頻段的電磁波，這種天線由于多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致剖面增加且加工較為復(fù)雜。

在研究比較了這些結(jié)構(gòu)之后，提出一種新型的可以覆蓋北斗導(dǎo)航系統(tǒng)收發(fā)3個(gè)工作頻段的天線，采用線極化和圓極化多種極化方式組合的形式。其結(jié)構(gòu)為在單個(gè)圓形貼片上開(kāi)環(huán)形槽，兩個(gè)圓形貼片相互嵌套，內(nèi)外兩部分貼片分別諧振高低端頻率，從而實(shí)現(xiàn)雙頻的性能，在兩部分貼片上分別開(kāi)成對(duì)的微繞凸口，兩對(duì)凸口呈正交位置，從而使兩個(gè)頻段分別輻射不同旋向的圓極化波;而另一線極化波工作頻段則通過(guò)開(kāi)孔耦合饋電的形式實(shí)現(xiàn)。利用單饋形式實(shí)現(xiàn)圓極化，由于不需功分器等饋電網(wǎng)絡(luò)而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊，其設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)多點(diǎn)饋電圓極化微帶天線。

依據(jù)此設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化后，提出了天線最終結(jié)構(gòu)，給出最佳尺寸，并對(duì)天線進(jìn)行了加工和實(shí)測(cè)。

1 天線模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

1．1 天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星終端收發(fā)共用天線的要求，發(fā)射天線上行極化方式為左旋圓極化，中心頻率為1 616 MHz，接收天線下行為右旋圓極化，中心頻率為2 491 MHz。

設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩層印刷銅箔的介質(zhì)板、空氣層和接地板構(gòu)成。上下層介質(zhì)板均采用相對(duì)介電常數(shù)為2．65的聚四氟乙烯材料F4B265，介質(zhì)板半徑均為55 mm。其中上層貼片實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化性能，通過(guò)圓形貼片左右對(duì)稱位置上突出小矩形產(chǎn)生微擾，通過(guò)內(nèi)外層的微擾量，調(diào)節(jié)兩諧振點(diǎn)處的圓極化性能。通過(guò)對(duì)矩形深度L1L2，寬度W1W2W3的優(yōu)化設(shè)計(jì)和饋電位置的調(diào)節(jié)，分離出兩個(gè)空間正交、幅度相等、相位差90°的簡(jiǎn)并模，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段左右旋圓極化信號(hào)。下層貼片實(shí)現(xiàn)另一線極化工作頻段，采用在圓形輻射貼片上挖孔，通過(guò)與饋電探針的耦合實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)挖孔的位置和半徑R5，即可實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。饋電方式采用單個(gè)探針底饋結(jié)合容性托盤(pán)耦合饋電，一層很薄的空氣層的引入，降低了介質(zhì)層的有效介電常數(shù)，降低了微帶天線的Q值，以達(dá)到增加帶寬的目的。由于空氣層的引入，饋電探針較長(zhǎng)，較大的感抗使得阻抗特性惡化，于是，通過(guò)加入容性圓鐵片，可有效地抵消探針的電感，在實(shí)現(xiàn)多頻性能的同時(shí)，還有效地拓寬了微帶天線的帶寬。這款天線著重實(shí)現(xiàn)北斗三頻天線，同時(shí)達(dá)到良好的輻射特性及圓極化性能。但未詳細(xì)研究天線小型化，在后期工作中還需做進(jìn)一步研究。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

1．2 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)由微帶線空腔模型理論，可初步計(jì)算得到天線的貼片尺寸。由腔模理論可知，工作在TMmn模時(shí)圓形微帶天線的諧振頻率與貼片尺寸之間的關(guān)系為

式中，a為貼片的物理半徑，c為自由空間光速，εe是介質(zhì)板的介電常數(shù)，令Jm(χmn)'=0，χ'mn為m階貝塞爾函數(shù)Jm導(dǎo)數(shù)的第n個(gè)零點(diǎn)，由于該天線諧振在基模 TM11，這里取 χ'11=1．841，fmn為貼片諧振頻率，介質(zhì)基片上貼片的低頻和高頻諧振頻率分別由R1和 R2確定，R1、R2可通過(guò)式(1)初步確定［8－9］。

建立天線模型，經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)參量，確定天線最終的尺寸為:

h=1．5 mm，hair=6 mm，t=11．7 mm，R1=38．2 mm，R2=30．8 mm，R3=31．8 mm，R4=5．1 mm，R5=17．9 mm，R6=36．25 mm，L1=3．4 mm，L2=4．17 mm，W1=7．2 mm，W2=10 mm，W3=6．2 mm。

2 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)參量，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，得到了比較滿意的仿真結(jié)果，根據(jù)仿真優(yōu)化參數(shù)，加工出微帶天線的實(shí)物，天線上下板子分別打4孔，用塑料支撐柱和塑料螺絲加以固定，如圖2所示。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用Agilent E8803A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了電測(cè)量，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，未能對(duì)天線的方向圖、軸比等電參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，僅測(cè)量了天線的S參數(shù)，并將實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖2 天線樣件

圖3、圖4分別給出了天線三頻點(diǎn)處的回波損耗以及軸比曲線。

圖3 天線在1 268 MHz、1 616 MHz、2 491 MHz三頻點(diǎn)附近頻帶的回波損耗曲線

圖4 天線在1 616 MHz、2 491 MHz兩頻點(diǎn)附近頻帶的仿真軸比曲線

圖3可以得出，天線在1 268 MHz頻段VSWR≤2的阻抗帶寬為8 MHz(約為0．63%)，該頻段阻抗帶寬稍窄，但對(duì)于北斗窄帶系統(tǒng)而言依然適用;在1 616 MHz，頻段VSWR≤2的阻抗帶寬為97 MHz(約為5．9%);在2491 MHz頻段阻抗帶寬為120 MHz(約為5．4%)，對(duì)于微帶圓極化天線單點(diǎn)饋電形式而言，阻抗帶寬均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。實(shí)物加工時(shí)，由于焊接操作誤差，基片介電常數(shù)的不均勻以及測(cè)試環(huán)境的影響，導(dǎo)致諧振頻率點(diǎn)略微有所偏移，但均在可控范圍，實(shí)測(cè)結(jié)果基本與仿真吻合，天線匹配良好。

圖4可以得出1 616 MHz及2 491 MHz頻段良好的圓極化性能，1 616 MHz及2 491 MHz頻點(diǎn)最大輻射方向軸比分別為1．5 dB、0．8 dB，其3 dB軸比帶寬分別為26 MHz(約為1．6%)和28 MHz(約為1．2%)，完全滿足北斗導(dǎo)航左右旋圓極化的頻帶收發(fā)應(yīng)用。

圖5給出了3個(gè)頻段的增益曲線，在1 268 MHz、1 616 MHz、2 491 MHz 三頻點(diǎn)處，增益分別為5．4 dB、8 dB、8 dB，(1 268 ±5)MHz帶寬內(nèi)天線的增益約在5 dBi以上，(1 616±70)MHz和(2 491±60)MHz帶寬內(nèi)天線的增益約在6 dBi以上。

圖5 天線在三頻帶上的增益曲線

圖6 天線在三頻點(diǎn)的仿真方向圖

圖6分別給出了天線在3個(gè)頻點(diǎn)處的歸一化輻射方向圖，其中0度方向?yàn)樘炀€輻射面法線方向。1 616 MHz頻點(diǎn)，在θ=0°方向上，LHCP電平大于其交叉極化電平21 dB，在 －27°≤θ≤48°，LHCP 電平大于RHCP電平15 dB以上。2 491 MHz頻點(diǎn)，在θ=0°方向上，RHCP電平大于其交叉極化電平21 dB，在 －51°≤θ≤90°，RHCP 電平大于 LHCP 電平15 dB以上?？梢?jiàn)，該天線具有很強(qiáng)的抑制交叉極化和抗多徑干擾的能力。

3 結(jié)論

提出了一種單點(diǎn)同軸饋電的共口徑三頻三極化微帶天線，可覆蓋北斗系統(tǒng)的3個(gè)工作頻段。天線共兩層結(jié)構(gòu)，可分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同旋向的圓極化頻段與線極化頻段。天線在1 268 MHz工作頻段阻抗帶寬為8 MHz(0．63%);在1 616 MHz工作頻段為阻抗帶寬為 97 MHz(5．9%)，3 dB 軸比帶寬為 26 MHz(1．6%);在2 491 MHz工作頻段，阻抗帶寬為120 MHz(5．4%)，3 dB 軸比帶寬為28 MHz(1．12%)。阻抗電測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了天線實(shí)用可行。而天線在1 268 MHz為線極化，在1 616 MHz實(shí)現(xiàn)左旋圓極化，在2 491 MHz實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，因此適用于北斗導(dǎo)航終端收發(fā)共用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。且該天線只包含兩層1．5 mm厚度的介質(zhì)基板和一層很薄的空氣層，具有低造價(jià)、低剖面等優(yōu)點(diǎn)，使應(yīng)用更加靈活，應(yīng)用前景廣泛。

［1］ 吳家國(guó)，周曉明．一種應(yīng)用于GPS和WLAN的高增益雙頻天線的設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(7):113－115．

［2］ 朱艷玲，劉琳琳，張福順，等．新型共口徑雙頻雙圓極化微帶天線設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2007，23(6):40 －43．

［3］ 王玉峰，林鑫超，何帥，等．一種雙頻雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2010，26(S1):188－190．

［4］ Oluyemi P Falade，Masood Ur Rehmanetc．Single Feed Stacked Patch Circular Polarized Antenna for Triple Band GPS Receivers［J］．IEEE Transactions On Antennas and Propagation，2012，60(10):4479－4484．

［5］ Ding Kang，Yu Tongbin，GUAN Dongfang，et al．Stacked Tri-Bandcircularly Polarized Microstrip Patch Antenna for CNSSApplications［C］//The 2nd International Symposium on Computer，Communication，Control and Automation，2013:303 －306．

［6］ Circularly Polarized Microstrip Patch Antenna for CNSS Applications［C］//Proceedings of the 2nd International Symposium on Computer，Communication，Control and Automation，2013:303 －306．

［7］ 桂小英，裴進(jìn)明，裴睿，等．層疊北斗雙頻微帶天線圓極化比較研究［J］．微波學(xué)報(bào)，2012，28(S3):103 －105．

［8］ 鐘順時(shí)．天線理論與技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011:296－303．

［9］ 林昌祿．天線工程手冊(cè)［M］．北京:電子業(yè)出版社，2002:770－817．