新型L頻段雙圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)*

李 文，姚宜東，徐 毅，袁偉濤，楊新華，王啟申

（北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

新型L頻段雙圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)*

李 文，姚宜東，徐 毅，袁偉濤，楊新華，王啟申

（北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

圓極化陣列天線由于其自身的性能特點(diǎn)，在現(xiàn)代無線應(yīng)用中越來越受到廣泛的關(guān)注。因此，提出一種寬軸比的L頻段圓極化貼片天線。該天線采用特殊的雙層饋電網(wǎng)絡(luò)，分別為輻射貼片相鄰的兩個(gè)側(cè)邊提供0°和90°饋電。兩層饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，通過電橋連接兩層饋電網(wǎng)絡(luò)，以嚴(yán)格保證輻射貼片相鄰兩邊的饋電幅度以及90°相位差，提高天線圓極化性能。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，該天線工作在1.525～1.559 GHz，天線極化方式為左右旋雙圓極化，天線增益＞13 dBi，駐波＜1.5，方向圖E面波瓣寬度和H面波瓣寬度＞25°。

圓極化；微帶陣列天線；軸比；帶寬

0　引 言

天線作為無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其性能的好壞直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的工作性能。無論是在民用通信還是軍事國防領(lǐng)域，無線通信系統(tǒng)對(duì)天線單元及陣列的增益、方向圖、阻抗帶寬和極化特性都提出了更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，采用陣列技術(shù)往往能夠使天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描或波束控制等特性，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

1　微帶天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微帶陣列天線的主要指標(biāo)：工作頻率在1.525～1.559 GHz；方向圖E面波瓣寬度和H面波瓣寬度＞25°；天線極化方式為左右旋雙圓極化；駐波＜1．5；天線增益＞13 dBi；尺寸約為400 mm×260 mm。圖1為天線整體仿真模型示意圖。

圖1　天線整體仿真模型

1.1微帶天線單元

天線單元采用方形微帶貼片天線形式，饋電方式為邊緣中心點(diǎn)側(cè)饋，采用正交的雙饋線實(shí)現(xiàn)雙線極化合成圓極化。

本文選取的介質(zhì)基片為低密度聚乙烯（LDPE）發(fā)泡，其低介電常數(shù)εr=1.08，將獲得較低的損耗，并且具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著介質(zhì)基片的厚度增大，Q值降低，頻帶變寬，但同時(shí)也破壞了天線的低剖面特性，增加了天線的重量。綜合考慮，最后選取基片厚度h=1.6 mm。由介質(zhì)基片參數(shù)，根據(jù)式（1）、式（2）和式（3），計(jì)算求得輻射貼片的初始尺寸L，使得諧振頻率為1.542 GHz。

結(jié)合利用HFSS軟件，獲得天線單元的最終結(jié)構(gòu)尺寸，求得輻射貼片邊長81 mm，由于所設(shè)計(jì)的天線要實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化，在天線相鄰兩邊引出饋線段，長度為1/4介質(zhì)波長（d1+d2），使得天線單元的輸入阻抗為100 Ω[2]。它的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　天線單元結(jié)構(gòu)

1.2天線陣設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)要求天線增益大于13 dBi。根據(jù)仿真結(jié)果，單個(gè)微帶貼片單元的增益約6～7 dBi，6個(gè)單元的陣列增益為13.7～14.7 dBi，既能滿足13 dBi的指標(biāo)要求，又能為饋電網(wǎng)絡(luò)損耗提供一定余量。因此，本文采用6個(gè)輻射單元天線組成3×2天線陣，以提高天線增益。為獲得較高增益同時(shí)抑制副瓣電平，經(jīng)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)最佳單元間距為0.9倍介質(zhì)波長。結(jié)合天線整體尺寸的限制，最終選定橫向單元間距x為125 mm，縱向單元間距y為120 mm，如圖3所示。

圖3　天線陣列結(jié)構(gòu)

饋電網(wǎng)絡(luò)是線陣設(shè)計(jì)的重中之重，其產(chǎn)生的寄生輻射會(huì)嚴(yán)重影響天線陣的方向性，因此需要考慮饋電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的共面饋電天線陣，其饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射使得天線交叉極化變大，嚴(yán)重惡化了天線的軸比[3]。本文的天線采用特殊的雙層饋電網(wǎng)絡(luò)，分別為輻射貼片相鄰的兩個(gè)側(cè)邊提供0°和90°饋電。兩層饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，如圖4所示。通過電橋連接兩層饋電網(wǎng)絡(luò)，可以嚴(yán)格保證輻射貼片相鄰兩邊的饋電幅度以及90°相位差。饋電網(wǎng)絡(luò)與天線的不共面設(shè)計(jì)，大大減弱了饋電網(wǎng)絡(luò)與天線單元之間的耦合，同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)與天線的一體化連接，減少了不連續(xù)性產(chǎn)生的反射，且加工簡(jiǎn)單[4]。該饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠明顯改善回波損耗和增大3 dB軸比帶寬。饋電網(wǎng)絡(luò)的核心部分采用λ/4波長阻抗變換器來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。為滿足各端口等功率分配和依次90°相差，最終設(shè)計(jì)的各段阻抗值滿足：

式中，Z0=100Ω，為單元天線輸入阻抗；Zin=50Ω，為天線饋電輸入端口阻抗。

圖4　單層天線饋電結(jié)構(gòu)

兩層饋電網(wǎng)絡(luò)由3 dB分支電橋連接，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。各分支長度為中心頻率波長的1/4，各分支電橋的各個(gè)端口接匹配負(fù)載，主路特性導(dǎo)納為支路特性導(dǎo)納的2倍。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)從1端口饋入；4端口沒有輸出，為隔離端；3端口比2端口的輸出相位滯后90°；且1端口輸入的功率被平均分配至2端口和3端口。

圖5　3 dB電橋結(jié)構(gòu)

1.3陣列天線的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

通過三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，討論雙圓極化天線的右旋仿真結(jié)果。

從圖6可以看出，陣列天線的回波損耗在工作頻段內(nèi)均小于-10 dB。

圖6　天線的回波損耗仿真曲線

圖7為天線右旋圓極化軸比隨頻率變化曲線?？梢钥闯觯陬l段1.525～1.559 GHz范圍內(nèi)，軸比小于2。

圖7　天線軸比仿真曲線

如圖8所示，陣列天線在f=1.525 GHz時(shí)的增益為14.5 dBi，方位面半功率波束寬度為28°，俯仰面半功率波束寬度為41.5°。

圖8　陣列天線在f=1.525 GHz的情況

如圖9所示，陣列天線在f=1.542 GHz的增益為14.6 dBi，方位面半功率波束寬度為27.5°，俯仰面半功率波束寬度為40.5°。

圖9　陣列天線在f=1.542 GHz的情況

如圖10所示，陣列天線在f=1.559 GHz的增益為14.6 dBi，方位面半功率波束寬度為27°，俯仰面半功率波束寬度為40°。

圖10　陣列天線在f=1.559 GHz的情況

1.4天線的加工與測(cè)試

最后，對(duì)天線進(jìn)行實(shí)際的加工和測(cè)試，以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的有效性。為了獲得較寬的帶寬和最佳的廣角軸比，天線部分采用低密度聚乙烯（LDPE）發(fā)泡支撐，介電常數(shù)為1.08，大小為400 mm×260 mm[5]。天線輻射單元貼片采用0.2 mm厚銅片，尺寸按照上述設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，上下層對(duì)齊準(zhǔn)確地粘貼在泡沫基板上。為了降低加工的復(fù)雜性、避免饋電點(diǎn)的不連續(xù)性并增大阻抗帶寬，采用焊接銅柱直接饋電[6]。天線上層輻射貼片通過底層饋電相移功分網(wǎng)絡(luò)伸出的銅柱進(jìn)行激勵(lì)。功分網(wǎng)絡(luò)采用微帶線結(jié)構(gòu)，介質(zhì)部分采用羅杰斯5880介質(zhì)板，介電常數(shù)3.9，厚度1.575 mm[7]。天線輸入端口采用SMA接頭，最終的天線加工實(shí)物如圖11所示。

圖11　天線加工實(shí)物

2　結(jié) 語

本文介紹了一種多層正交饋電的圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方法，在優(yōu)化天線陣列間距的基礎(chǔ)上，采用特殊的雙層饋電，兩層饋電結(jié)構(gòu)完全相同，以減少饋電網(wǎng)絡(luò)與天線單元之間的耦合，使得天線的3 dB軸比帶寬滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線在海事衛(wèi)星通信頻段內(nèi)，回波損耗小于-10 dB，增益大于14.5 dB?？梢?，設(shè)計(jì)的天線具有良好的圓極化特性，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、便于制造，應(yīng)用前景廣闊。

[1] JAZI M N,AZARMANESH M N.Design and Implementation of Circularly Polarized Microstrip Antenna Array Using a New Serial Feed Sequentially Rotated Technique[J]. IEEE Proceedings Microwaves Antennas and Propagati on,2006,153(02):133-140.

[2] HERSCOVICI N.NEW Considerations in the Design of Microstrip Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1998,46(06):807-812.

[3] 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991. ZHONG Shun-shi.Microstrip Antenna Theory and Application[M].Xi'an University of Electronic Science and Technology Press,1991.

[4] 林昌祿.近代天線設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,1990. LIN Chang-lu.Modern Antenna Design[M].Beijing:Posts and Telecom Press,1990.

[5] Sean M duffy.An Enhanced Bandwidth Design Technique for Electromagnetically Coupled Microstrip Antenna on a Microwave Substrate[J].IEEE Trans on Antennas and Pr opagation,2000,48(02):161-164.

[6] 管耀武,吳其山,黃世勇.常用短波鞭天線性能優(yōu)化工程技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2014,47(08):973-976. GUAN Yao-wu,WU Qi-shan,HUANG Shi-yong.A Method to Improve the Performance of HF Whip Antenna[J]. Communications Technology,2014,47(08):973-976.

[7] 趙書倫,楊春香,徐毅.湖南光電高清動(dòng)中通衛(wèi)星車系統(tǒng)[J].導(dǎo)航與控制,2013(01):30-34. ZHAO Shu-lun,YANG Chun-xiang,XU Yi.MSCS of HD Used in HUNAN Broadcast and TV[J].Navigation and Control,2013(01):30-34.

李 文（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€研究與設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)等；

姚宜東(1984—)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€研究與設(shè)計(jì)；

徐 毅（1979—），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用；

袁偉濤（1981—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程；

楊新華（1985—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€研究與設(shè)計(jì)；

王啟申（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。

Design of Novel L-Band Double Circularly-Polarized Microstrip Array Antenna

LI Wen,YAO Yi-dong,XU Yi,YUAN Wei-tao,YANG Xin-hua,WANG Qi-shen
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100094, China）

Circularly-polarized array antennas attract more and more attentions in the modern wireless applications because of its specific performance characteristics. A L-band circularly-polarized microstrip patch antenna working in wide axial ratio bandwidth is proposed. The antenna adopts the special double feed network, thus to provide 0 degree feed and 90 degree feed to the two adjacent sides of radiation patch respectively. Two layers of feed network are same in structural size, and connected through the bridge to ensure that the two adjacent sides of radiation patch have 90 degrees phase difference, thus improving circular polarization performance of the antenna. The simulation results show that the microstrip array antenna could work at 1.525 ～1.559 GHz; with double circular polarized antenna; antenna gain ＞ 13 dBi; VSWR ＜1.5; E and H plane lobe width ＞ 25°.

circular polarization; microstrip array antenna; axial ratio; bandwidth

TN822

A

1002-0802(2016)-08-01093-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.026

2016-04-20;

2016-07-23

date:2016-04-20;Revised date:2016-07-23