寬波束圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

姚 菲

(海軍裝備部，西安 710089)

0 引言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)天線作為飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的射頻前端，是整個(gè)飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的“眼睛”，它的性能直接影響著整個(gè)飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航、定位、公共安全/監(jiān)督、時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、繪圖、天氣和大氣信息等性能的優(yōu)劣。對(duì)于機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)來說，低剖面具有中等增益的圓極化微帶天線是尤為重要的[1]。而圓極化微帶天線的寬波束覆蓋比常規(guī)圓極化天線更能有效地提高天線接收/輻射能量的覆蓋面積。目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)大多重點(diǎn)研究天線阻抗帶寬的展寬、增益的提高以及半功率波束寬度的展寬[2-6]，但對(duì)于能夠提高天線導(dǎo)航信號(hào)有效覆蓋面積的寬3dB軸比波束寬度的天線研究較少[7-8]。本文所要研究的問題正是如何實(shí)現(xiàn)天線的寬3dB軸比波束寬度。

1 天線結(jié)構(gòu)

寬波束圓極化微帶天線的整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，該寬波束圓極化微帶天線介質(zhì)基板尺寸為75 mm×75 mm×3 mm (0.395λ0×0.395λ0×0.016λ0，λ0為天線中心頻率1.575GHz對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng))。該天線由三部分組成：金屬地板、介質(zhì)板和輻射貼片。金屬地板蝕刻在介質(zhì)板背面，介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)εr=3.4，損耗角正切值tanδ=0.018。方形微帶貼片蝕刻在介質(zhì)板正面，尺寸為51 mm×51 mm。與傳統(tǒng)微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的方式不同，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三角形切口，該微帶貼片的四個(gè)角分別蝕刻了四個(gè)半徑不同的扇形切角，其半徑分別為7.9mm、4.1mm、3.9mm、3.2mm。饋電點(diǎn)位于+y軸，距離貼片中心9.5mm。圍繞切口順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使天線右旋圓極化波覆蓋范圍擴(kuò)大，同時(shí)抑制了天線左旋圓極化波，且扇形微擾切口，使貼片上的電流在貼片邊緣流轉(zhuǎn)平滑，能夠進(jìn)一步改善天線的圓極化方向圖。通過簡(jiǎn)單的切口變換，使天線實(shí)現(xiàn)了圓極化特性，還可通過調(diào)整扇形切角的半徑展寬天線圓極化波束寬度。

為了更好地了解該天線的工作原理，圖2給出了該寬波束圓極化微帶天線在1.575GHz工作時(shí)的電流分布。從圖中可以看出，該貼片上的電流矢量隨時(shí)間變化逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這表明該天線電流滿足右手法則和圓極化時(shí)間空間正交的條件，即該天線的極化方式為右旋圓極化。圖3給出了切口半徑不同時(shí)，天線最大輻射方向上的軸比。從圖3(a)中能夠得出，當(dāng)增加r1，貼片有效輻射面積變小，諧振頻率向低頻移動(dòng)，當(dāng)r1=7.9mm時(shí)，天線諧振，兩個(gè)正交模幅度相等、相位相差90°，天線軸比在中心頻點(diǎn)處達(dá)到最小。增大或減小r1的大小，天線的軸比值均變差。從圖3(b)～(d)中可以看出，r2、r3和r4對(duì)天線軸比特性的影響與r1類似。

圖2天線在1.575GHz工作時(shí)的電流分布

(a)r1(b)r2

(c)r3(d)r4

圖3天線軸比隨切口半徑變化曲線

2 天線仿真與測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證天線仿真結(jié)果，制作了天線相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)，如圖4所示。

圖5給出了天線電壓駐波比、軸比、增益隨頻率變化的仿真和測(cè)試結(jié)果圖。

圖4 天線樣機(jī)

由圖5可知，在1.556～1.634GHz范圍內(nèi)，寬波束圓極化微帶天線仿真和測(cè)試的電壓駐波比均小于2.0。在1.566～1.579GHz范圍內(nèi)，天線仿真和測(cè)試的軸比小于3.0，增益大于5.9dB，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。

圖6給出了天線工作在1.575GHz時(shí)，天線xoz面的仿真和測(cè)試軸比曲線。從圖中可以看出，天線仿真的xoz面3dB軸比波束寬度為165°，測(cè)試的xoz面3dB軸比波束寬度為147°，由于加工誤差和測(cè)試環(huán)境不完美導(dǎo)致仿真測(cè)試結(jié)果相差18°，但與文獻(xiàn)[4]-[6]中常規(guī)圓極化天線3dB軸比波束寬度覆蓋范圍不到115°相比，仍滿足天線寬圓極化波束特性。

圖6 天線xoz面的仿真與測(cè)試軸比(1.575GHz)

圖7給出了天線工作在1.575GHz時(shí)，天線xoz面和yoz的仿真和測(cè)試方向圖曲線。從圖中可以看出，天線產(chǎn)生的圓極化波的極化方式為右旋圓極化。當(dāng)天線工作在1.575GHz時(shí)，3dB波束寬度為60°，其最大輻射方向上交叉極化比為-29dB。

3 結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)用于機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的一種新型寬波束圓極化微帶天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)、加工制作和測(cè)試。天線實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的電特性測(cè)量結(jié)果表明：天線在1.566～1.579GHz工作頻帶內(nèi)電壓駐波比小于2.0，軸比小于3dB，增益大于5.9dB，帶內(nèi)增益穩(wěn)定，3dB軸比波束寬度大于147°，實(shí)現(xiàn)了寬圓極化軸比波束寬度的輻射特性，符合機(jī)載平臺(tái)的應(yīng)用要求。

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