一種小型化寬波束圓極化天線

王 伊, 龔書喜, 楊 林, 劉 英

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波重點實驗室, 陜西 西安 710071)

一種小型化寬波束圓極化天線

王 伊, 龔書喜, 楊 林, 劉 英

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波重點實驗室, 陜西 西安 710071)

為了使特殊場合的圓極化天線增加寬波束特性，擴大信號覆蓋范圍,設(shè)計出一種基于多層微帶結(jié)構(gòu)的小型化寬波束圓極化天線。該天線由耦合貼片層、輻射貼片層、饋電網(wǎng)絡(luò)層和反射地板層組成，其中饋電網(wǎng)絡(luò)通過Wilkison功分器實現(xiàn)，兩饋電點通過金屬探針與輻射貼片相連。借助仿真數(shù)據(jù)分析并優(yōu)化天線參數(shù)，當(dāng)工作頻率為11.90 ～ 13.02 GHz，結(jié)構(gòu)尺寸為 25 mm×25 mm×4.5 mm時，天線實測增益為4.9 dBi。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)加工天線實物，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

寬波束圓極化天線；Wilkison功分器；微帶天線

在無線通信領(lǐng)域，特別是衛(wèi)星通信、遙感遙測、電子對抗等方面，圓極化天線被大量應(yīng)用[1-4]。圓極化天線的特點主要包括[5-8]：(1)極化損失小，對于工作姿態(tài)不穩(wěn)定的通信設(shè)備來說，采用線極化可能導(dǎo)致收發(fā)天線的極化交叉，降低系統(tǒng)的通信效率，而圓極化天線除了對反旋向圓極化天線有極化隔離外，對于大多數(shù)任意極化天線則可以有效的降低極化損失；(2)可以有效消除由電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化畸變影響；(3)可以減少雨霧天氣對通信系統(tǒng)的干擾。另外，在無線遙測的試驗中，被測載體飛行狀態(tài)多變、測試環(huán)境復(fù)雜，為了實時掌握載體在測試中的飛行姿態(tài)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等信息，一般都要求載體通信天線具有寬波束特性。為了適應(yīng)被測載體有限的空間，天線還具有小型化的特點。

對于微帶天線來說，實現(xiàn)圓極化的方式很多，其原理就是要形成幅度相同、相位相差90°的兩極化分量。實現(xiàn)圓極化的常見方法有單饋點法、多饋點法和多元法。

單饋點法的核心就是通過微擾，改變微帶輻射貼片的平衡來實現(xiàn)圓極化。這種方法主要基于空腔理論模型，利用簡并模分離單元產(chǎn)生兩個極化正交的簡并模工作。其關(guān)鍵是適當(dāng)?shù)倪x擇饋電點位置和幾何微擾的方式。

多饋電法是通過饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對輻射貼片幅度相等、相位差90°的正交饋電，通常采用T型功分器或3dB電橋作為饋電網(wǎng)絡(luò)。這類饋電方式的重點在饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。相對于單饋點法，多饋法可以在多個饋點之間互相補償不必要的電抗，減少貼片高次模對阻抗帶寬和軸比的影響，因此基于多饋點法的圓極化天線擁有較寬的阻抗和軸比帶寬。

多元法采用多個線極化貼片單元，在合理排布單元位置的基礎(chǔ)上，使得輸入相位相差90°而實現(xiàn)圓極化。這種方法具有多饋點法的優(yōu)點，并且可以看做是天線陣，增益較高，但缺點是尺寸太大，不利于小型化。

本文擬設(shè)計一種基于多層微帶結(jié)構(gòu)的小型化寬波束圓極化天線。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于受工作帶寬、寬波束以及對實際尺寸的限制，選擇基于雙饋點的多層微帶結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)小型化寬波束圓極化天線。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線立體結(jié)構(gòu)

天線整體尺寸為25 mm×25 mm，天線分為4層，由上到下分別是耦合貼片層、輻射貼片層、饋電網(wǎng)絡(luò)層和反射地板層。4層微帶介質(zhì)板相對介電常數(shù)均為2.65，上3層介質(zhì)板厚度均為1 mm，反射地板厚度1.5 mm。

饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線饋電網(wǎng)絡(luò)采用Wilkinson功分器，兩饋電枝節(jié)之間幅度相等，相位相差90°。由于采用多層微帶結(jié)構(gòu)，每層微帶板緊密貼合，為了不影響功分器隔離電阻的擺放，故在反射地板層相應(yīng)的位置預(yù)留小孔，其中Wf為饋線寬度。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

輻射貼片結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主體是半徑為R1的圓形貼片，兩饋電點通過金屬探針與饋電網(wǎng)絡(luò)相連。為了調(diào)節(jié)天線的阻抗帶寬和圓極化軸比特性，在圓形貼片周圍添加了寬度分別為W1和W2，長度分別為L1和L2的矩形枝節(jié)。通過調(diào)整矩形枝節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸來優(yōu)化天線的圓極化特性。

圖3 輻射貼片結(jié)構(gòu)

耦合貼片結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了展寬天線的工作帶寬，在輻射貼片上添加耦合貼片。同時為了不影響圓極化特性，在耦合貼片上對稱的開槽以實現(xiàn)微擾的作用，其中槽寬度為W3，長度為L3。

圖4 耦合貼片結(jié)構(gòu)

2 天線主要參數(shù)對性能的影響

借助仿真實驗，分析天線結(jié)構(gòu)中主要參數(shù)對天線性能，如天線軸比、工作帶寬等的影響。

首先研究天線輻射貼片半徑對軸比的影響。天線輻射貼片在R1取不同數(shù)值情況下的軸比變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 軸比隨天線輻射半徑的變化規(guī)律

天線其他參數(shù)保持不變，輻射貼片的半徑由2.6 mm變化到3.4 mm。從圖5中可以看出，天線軸比在不同的半徑下變化較大。當(dāng)R1=2.6 mm時，天線天頂方向軸比最好，但是其寬角軸比特性較差，隨著R1的增大，寬角軸比逐漸改善，在R1=3.0 mm時，寬角軸比性能達到最好，在±80°的波束范圍內(nèi)小于6 dB。

在輻射貼片上添加兩個矩形枝節(jié)，其目的是對輻射貼片上的電流進行微擾，使其圓極化性能更好。矩形枝節(jié)的寬度分別為W1和W2，長度分別為L1和L2。首先研究參數(shù)L1的特性。在其他參數(shù)保持不變的情況下，間L1從0.4 mm變化到1.2 mm。輻射貼片矩形枝節(jié)長度L1對天線軸比的影響如圖6所示?？梢?，當(dāng)L1從0.4 mm逐漸增加的過程中，軸比逐漸變好。在L1=0.8 mm時，軸比性能達到最優(yōu)，在±80°的波束范圍內(nèi)小于6 dB。而當(dāng)L1長度繼續(xù)增加時，軸比開始整體上升。當(dāng)L1=1.2 mm時，軸比最低點已經(jīng)達到10 dB左右。

圖6 軸比隨枝節(jié)長度的變化規(guī)律

另一個矩形枝節(jié)具有相同作用，只不過由于靠近饋電點，其寬度W2和長度L2有所不同。經(jīng)過優(yōu)化可得

W2=1.6 mm，L2=0.5 mm。

接下來討論耦合貼片對天線性能的影響。在微帶天線中，通常通過添加耦合貼片的方式展寬天線工作帶寬，即通過在輻射貼片上添加耦合貼片展寬帶寬。但是若僅僅添加耦合貼片會對天線軸比造成不利影響，故仍然利用微擾的方法，在耦合貼片上對稱地開槽來調(diào)節(jié)軸比和帶寬特性。軸比特性隨耦合貼片開槽寬度W3的變化規(guī)律如圖7所示?？梢?，在其他參數(shù)保持不變的情況下，W3從1.1 mm增大到1.9 mm，軸比逐漸有高到低變換，當(dāng)W3=1.5 mm時，軸比性能達到最優(yōu)，即在±80°的波束范圍內(nèi)小于6 dB，當(dāng)W3繼續(xù)增大時，軸比開始升高。

圖7 軸比特性隨耦合貼片開槽寬度的變化規(guī)律

耦合貼片影響天線性能的另一個重要參數(shù)就是貼片半徑R2。當(dāng)其他參數(shù)固定，半徑R2為不同值時，對天線駐波影響如圖8所示?？梢姡琑2從2.6 mm一直變化到3.4 mm，當(dāng)R2=3 mm時,回波損耗小于-10 dB的帶寬達到最寬，即從11.8 GHz到13.1 GHz；當(dāng)R2=3 mm時，中心頻率點處的回波損耗大約在-45 dB。

圖8 回波損耗隨耦合貼片半徑的變化規(guī)律

根據(jù)以上對天線重要參數(shù)的仿真分析，可以得出天線達到最優(yōu)結(jié)果時的參數(shù)數(shù)值，如表1所示。

表1 天線各參數(shù)數(shù)值

3 天線實測結(jié)果分析

為了進行試驗驗證，根據(jù)仿真分析所得到的結(jié)構(gòu)尺寸，加工天線樣機，如圖9所示。

(a) 天線正面

(b) 天線背面

在天線裝配完畢后，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S-ZVB 20對天線的S參數(shù)進行測試，其中回波損耗測試結(jié)果如圖10所示。可見，小于-10 dB的帶寬為11.9 ～ 13.02 GHz，與仿真結(jié)果吻合較好，但是中心頻率處的回波損耗僅為-23 dB，與仿真有所差別，這是由于在焊接天線接頭或金屬探針時引入的誤差所致。

圖10 回波損耗測試結(jié)果

天線方向圖在Phi=0°和Phi=90°時的主極化與交叉極化實測結(jié)果如圖11所示。

(a) Phi=0°

(b) Phi=90°

實測結(jié)果與仿真結(jié)果相比，交叉極化有所上升，但天線軸比總體上滿足在±80°的波束范圍內(nèi)小于6 dB的要求，這主要是由于多層介質(zhì)板在安裝時沒有嚴(yán)格對齊造成。在今后的設(shè)計過程中應(yīng)考慮與多層介質(zhì)板定位相關(guān)的結(jié)構(gòu)，以提高天線安裝精度。

天線增益通過比較法獲得，中心頻率實測增益為4.9 dBi，與仿真結(jié)果的5.5 dBi降低了0.6 dBi，這是加工誤差及測試誤差總體影響的結(jié)果。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一款基于多層微帶結(jié)構(gòu)的小型化寬波束圓極化微帶天線，通過對天線參數(shù)的分析與優(yōu)化，實現(xiàn)了在±80°的波束范圍內(nèi)增益大于0 dBi，并且軸比小于6 dB?；夭〒p耗在11.9～13.02 GHz范圍內(nèi)小于-10 dB。通過對天線實物測試表明，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，達到了預(yù)期要求。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

Design of a compact wide beam circular polarized antenna

WANG Yi, YANG Lin, LIU Ying, GONG Shuxi

(Key Lab of Radar Signal Processing, Xidian University, Xi’an 710071, China)

A compact wide beam circular polarized antenna based on the multilayer microstrip structure is studied in this paper. The antenna includes the coupled patc, the radiation patch, feeding network and the reflecting layer. The feeding network is composed of the Wilkison power divider. The radiation patch is connected with the feeding points by two metal probes. The operating bands can be employed in 11.90 ～ 13.02 GHz. The dimensions of the proposed antenna are 25 mm×25 mm×4.5 mm. The measured gain of the proposed antenna is 4.9 dBi. Both experimental and simulated results have a good agreement.

wide beam circular polarized antenna， Wilkison power divider， microstrip antenna

2014-09-24

王伊(1984-),男,博士研究生,研究方向為通信天線及天線近場測量。E-mail:antenna_wy@163.com 龔書喜(1957-),男,教授,博士生導(dǎo)師,從事電磁理論和隱身技術(shù)研究。E-mial:shxgong@xidian.edu.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.017

TN911.23

A

2095-6533(2015)01-0084-05