Ku波段寬角掃描圓極化微帶陣列天線設(shè)計(jì)

尹繼亮

?

Ku波段寬角掃描圓極化微帶陣列天線設(shè)計(jì)

尹繼亮

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

提出了一種三饋電圓極化微帶天線。天線饋電網(wǎng)絡(luò)采用一分三功分饋電，實(shí)現(xiàn)微帶貼片天線的圓極化輻射，增加方向圖的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。用該天線作為陣列單元，采用順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)組成一個(gè)3×4陣列，有效地改善了陣列天線的增益掃描特性。研究了該陣列天線波束掃描時(shí)的輻射特性和極化特性。仿真結(jié)果表明:陣列天線在中心工作頻率處能實(shí)現(xiàn)俯仰60°的掃描，在掃描范圍內(nèi)增益大于11.9 dBi，軸比小于2 dB。

微帶天線；圓極化；軸比；三饋電；寬角掃描；陣列天線

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)天線的要求越來(lái)越高，要求實(shí)現(xiàn)小型化、低輪廓、低成本、寬頻帶等。圓極化天線能夠接收任意線極化的電磁波，輻射的圓極化電磁波可以被任意線極化的天線接收，且圓極化天線可以有效減小多徑反射的影響、抑制雨霧等氣候引起的去極化效應(yīng)、抗干擾強(qiáng)，得到了廣泛的關(guān)注。微帶貼片天線具有質(zhì)量小、成本低、尺寸小、易于加工制造等特點(diǎn)，在相控陣天線系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[1-2]。

寬角掃描圓極化天線陣列的軸比由兩個(gè)因素決定：一是陣列天線單元自身的軸比，二是陣列排布方式。

單個(gè)微帶貼片天線的圓極化可以通過單點(diǎn)饋電或多點(diǎn)饋電實(shí)現(xiàn)[3]。單點(diǎn)饋電微帶貼片天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其圓極化帶寬較窄。多點(diǎn)饋電微帶貼片天線圓極化帶寬寬，但饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)于應(yīng)用于Ku及以上頻段的天線設(shè)計(jì)起來(lái)更加困難，且饋電網(wǎng)絡(luò)會(huì)引入額外的損耗。采用雙饋或多饋來(lái)增大軸比帶寬，一般饋點(diǎn)越多，軸比帶寬越寬[4]，但這也使得饋電網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]提出了一種三饋電雙層圓極化微帶天線，其軸比帶寬達(dá)到了47.88%。文獻(xiàn)[6]提出了一種三饋電單層圓極化微帶天線，其軸比帶寬達(dá)到了12.2%。文獻(xiàn)[5-6]中的天線使用的饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶Wilkinson功分器，不適合應(yīng)用于相控陣天線系統(tǒng)天線陣元與收發(fā)組件的互聯(lián)，尤其不適合應(yīng)用于需要對(duì)天線單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)布陣的相控陣天線系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]提出了一種中心饋電的四饋電圓極化微帶天線，天線采用一個(gè)一分四的饋電網(wǎng)絡(luò)，工作于L波段，其軸比帶寬達(dá)到了6.8%，但該天線在Ku及以上波段較難實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于陣列排布方式對(duì)軸比影響的研究, 文獻(xiàn)[8] 提出了一種順序旋轉(zhuǎn)饋電的方式，這種方式后來(lái)被廣泛地應(yīng)用，用于改善圓極化微帶陣列天線的軸比帶寬及大角度掃描時(shí)的圓極化增益等。文獻(xiàn)[9]研究了采用不同的順序旋轉(zhuǎn)方式組陣，但僅限于研究如何降低天線陣列的反旋分量。

為便于與收發(fā)組件進(jìn)行射頻互聯(lián)，消除陣元按饋電點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后微帶貼片之間的干涉，饋電點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近貼片天線的中心。

本文在綜合考慮工藝復(fù)雜性和天線陣列性能的基礎(chǔ)上，首次提出了一種中心饋電的三饋電圓極化微帶天線。然后以該天線單元為基礎(chǔ)，采用雙重順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)3×4寬角掃描圓極化微帶天線陣列。設(shè)計(jì)的天線陣列具有良好的寬角掃描特性，當(dāng)工作于中心頻率時(shí)，陣列天線增益在±60o掃描范圍內(nèi)下降小于2.8 dB，同時(shí)軸比小于2 dB。

1 天線單元設(shè)計(jì)

1.1 天線單元結(jié)構(gòu)

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用四層芯板層疊結(jié)構(gòu)，從上到下分別是覆蓋層、貼片層、地板層、饋電網(wǎng)絡(luò)層。多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使天線單元的饋電網(wǎng)絡(luò)層和輻射貼片被中間的接地板隔開，減小饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線造成的影響。另外，饋電網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線的形式。介質(zhì)基板均選用Taconic 介質(zhì)材料，覆蓋層和貼片層選用TLY-5介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)2.2。為了滿足天線的帶寬要求，選用常用介質(zhì)厚度1=0.254 mm和2=1.016 mm。為了能在有限的空間內(nèi)排布饋電網(wǎng)絡(luò)，考慮印制板加工工藝的成熟性及低剖面要求，地板層和饋電網(wǎng)絡(luò)層選用RF-35介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)3.5，厚度為3=4=0.254 mm，不同介質(zhì)基板之間采用半固化片（pp）進(jìn)行粘接。為了滿足該天線單元在實(shí)際工程中的應(yīng)用，饋電結(jié)構(gòu)采用帶狀線轉(zhuǎn)同軸線的背饋方式。

對(duì)圓形微帶貼片中心進(jìn)行開槽處理以提高端口間的隔離度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓形貼片的半徑為P，采用同軸探針進(jìn)行饋電。Y型槽的三條臂長(zhǎng)寬一樣，Y型槽的寬度為S，Y型槽長(zhǎng)度為S，槽與槽之間的夾角為120°。饋電點(diǎn)距離貼片中心的距離為F。圓形金屬地板與圓形介質(zhì)基板的半徑為G。

（a）天線單元俯視圖

（b）天線單元側(cè)視圖

（c）貼片

（d）饋電網(wǎng)絡(luò)

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)模型

Fig.1 Geometry of the proposed antenna element

1.2 天線單元設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)圓極化，饋點(diǎn)位置呈等邊三角形，功分器的3路輸出要求等幅且相位依次相差120°[5]。常用的一分三功分器有Wilkinson功分器和T形結(jié)功分器，Wilkinson功分器需要在各支路間加隔離電阻且占用體積較大。為縮小尺寸，降低工藝復(fù)雜度，便于與收發(fā)組件互聯(lián)，本文采用帶狀線T形結(jié)功分器，功分器各端口間相位差通過帶狀線長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。各輸出端口幅度及相位差的仿真結(jié)果如圖2所示。可以看出，功分器在4%的頻帶內(nèi)，3個(gè)端口間輸出幅度差均在0.4 dB內(nèi)，由于帶狀線固有的色散特性，相位隨頻率呈線性變化，造成各端口相位差在偏離中心頻點(diǎn)處120°。

圖2 帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)各端口傳輸損耗及相位差曲線

采用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對(duì)微帶貼片天線單元進(jìn)行全波仿真分析。圖3為微帶貼片天線單元的電壓駐波比隨歸一化頻率的變化曲線。由圖可見，天線單元在4%的頻率范圍內(nèi)電壓駐波比VSWR≤1.2。圖4為微帶貼片天線單元的增益和軸比隨歸一化頻率的變化曲線。由圖可見，天線單元在4%的頻率范圍內(nèi)軸比AR≤4.5，天線單元的最大增益為7.01 dBi。圖5為微帶貼片天線單元中心頻率的增益方向圖。從圖中可以看出，該單元在大角度區(qū)域（60°），方向圖各剖面的電平差距較小，方向圖基本旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。微帶貼片天線單元的其他尺寸參數(shù)如表1所示，0為中心工作波長(zhǎng)。

圖3 天線單元駐波比曲線

圖4 天線單元增益和軸比曲線

圖5 天線單元增益方向圖

表1 天線單元各尺寸參數(shù)

Tab.1 Parameters of the antenna element

2 天線陣列設(shè)計(jì)與仿真分析

本設(shè)計(jì)中，12元陣按3×4三角形陣列排布（如圖6所示），為保證在±60o掃描范圍內(nèi)不出現(xiàn)柵瓣，陣列單元間距按0.460排列。天線陣列設(shè)計(jì)采用雙重順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)，有效改善了天線陣列的寬角圓極化增益及軸比特性。同時(shí)，天線陣列結(jié)構(gòu)采用多層PCB作為基板，并通過帶狀線轉(zhuǎn)射頻同軸連接器，完成天線陣面與收發(fā)組件的垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)。采用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對(duì)陣列天線進(jìn)行全波仿真分析。

圖6 3×4天線陣列結(jié)構(gòu)

圖7為天線陣列在o平面的掃描特性曲線。圖8為天線陣列在o平面的掃描特性曲線。由圖7和圖8可見，天線工作在中心工作頻率，波束能夠掃描到±60°，在±60o掃描范圍內(nèi)，天線陣列具有良好的副瓣特性。從仿真結(jié)果可以看出，在o面，波束掃描到±60°時(shí)，增益下降小于2.8 dB；在o面，波束掃描到±60°時(shí)，增益下降小于2.5 dB。

圖7 xoz面掃描方向圖

圖8 yoz面掃描方向圖

相對(duì)于傳統(tǒng)相控陣天線（以12元相控陣天線為例），本陣列天線具有更好的增益掃描下降特性，表2給出了本陣列天線掃描增益下降特性與文獻(xiàn)[10]中陣列天線的對(duì)比。

表2 本天線陣列與文獻(xiàn)[10]天線陣列的增益掃描特性對(duì)比

Tab.2 The gain scan loss performance of the proposed antenna array compared with the antenna array in reference [10]

圖9為天線陣列軸比隨掃描角的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)天線陣列工作在中心頻率時(shí)，在整個(gè)掃描范圍內(nèi)，天線陣列半功率波束內(nèi)的軸比小于2 dB。

圖9 天線陣列軸比隨掃描角的變化關(guān)系

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)出了一種三饋電圓極化微帶貼片天線單元，該天線單元饋電點(diǎn)出口位于天線單元中心，通過ANSYS HFSS軟件仿真優(yōu)化出天線單元的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，天線單元方向圖基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，適合用于順序旋轉(zhuǎn)布陣。采用該微帶貼片天線作為天線單元，組成一個(gè)3×4陣列，進(jìn)行了天線陣列的仿真。仿真結(jié)果說(shuō)明該陣列天線具有良好的寬角掃描特性，當(dāng)工作于中心頻率時(shí)，陣列天線增益在±60o掃描范圍內(nèi)下降小于2.8 dB，同時(shí)軸比小于2 dB。設(shè)計(jì)的陣列天線對(duì)于研究寬角掃描圓極化陣列天線具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] BALANIS C A. Antenna theory-analysis and design [M]. Hoboken, USA: John Wiley&Sons, Inc, 2005: 70-80.

[2] KUMAR G, RAY K P. Broadband microstrip antennas [M]. Boston London, UK: Artech House, 2003.

[3] 薛睿峰, 鐘順時(shí). 微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展 [J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 17(2): 331-336.

[4] 孫莉, 周力. 小型多饋源寬頻微帶天線分析與設(shè)計(jì) [J]. 微波學(xué)報(bào), 2007, 23(6): 44-47.

[5] LIN C, ZHANG F S. A three-fed microstrip antenna for wideband circular polarization [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2010(9): 359-362.

[6] 錢祖平, 劉宗全. 一種三饋圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)與制作 [J]. 微波學(xué)報(bào), 2011, 27(5): 15-18.

[7] CHEN X, YANG L. High-efficiency compact circularly polarized microstrip antenna with wide beamwidth for airborne communication [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2016(15): 1518-1521.

[8] JOHN H. Technique for an array to generate circular polarization with linearly polarized elements [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 1986, 34(9): 1113-1124.

[9] HALL P S, SMITH M S. Sequentially rotated arrays with reduced sidelobe levels [J]. Electron Lett, 1992, 28(18): 1761-1763.

[10] 魯加國(guó), 曹軍. 一種適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的圓極化相控陣天線 [J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2003, 1(1): 54-59.

（編輯：陳渝生）

Design of Ku-band wide-angle scanning circularly polarized microstrip array antenna

YIN Jiliang

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A novel three feeds circularly polarized microstrip antenna was proposed in this paper. The antenna feeding network was realized using a one-three power divider to enhance the rotational symmetry of circularly polarized radiation of the microstrip patch antenna. The proposed antenna element was arranged into a 3×4 array using sequentially rotated technique to effectively improve the array gain scanning performance. The array radiation and polarization performance during beam scanning was investigated as well. The simulation results indicate that the array beam can be steered in the elevation up to 60° at the center of the operating frequency. The gain of no less than 11.9 dBi and the axis ratio (AR) of no more than 2 dB are obtained within the scanning angles.

microstrip antenna; circular polarization; axial ratio; three-fed; wide-angle scanning; array antenna

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.017

TN82

A

1001-2028（2017）05-0081-04

2017-02-11

尹繼亮

尹繼亮（1984－），男，江西永新人,工程師，碩士，從事相控陣天線技術(shù)研究，E-mail: jiliang_yin@163.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.017.html