一種雙層寬波束微帶天線的設(shè)計

商 鋒, 胡 熠

(西安郵電大學 電子工程學院， 陜西 西安 710121)

微帶天線(microstrip antenna)是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的天線[1-2]。微帶天線因其體積小、重量輕、易實現(xiàn)圓極化、易與導體表面共形等特點，在衛(wèi)星導航領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。微帶天線的3 dB波束寬度是指在天線的最大輻射方向兩側(cè)，輻射功率下降3 dB的兩個方向的夾角[3-4]，普通微帶天線的3 dB波束寬度在70°～110°之間，波束較窄，低仰角增益(10°仰角)約為-3 dBic左右[5]。但隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，要求微帶天線具有覆蓋上半空間輻射方向圖的寬波束特性，從而能夠接收來自更多方向的衛(wèi)星信號，以提高定位導航的精度。因此，需要在保證微帶天線圓極化性能的同時，展寬天線波束，提高低仰角增益，以適應(yīng)衛(wèi)星導航系統(tǒng)的需求。國內(nèi)外學者提出了多種展寬天線波束的方法，例如將正弦天線與微帶介質(zhì)天線結(jié)合[5-6]，利用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)結(jié)合多點饋電技術(shù)[7-8]，延伸介質(zhì)板的大小等[9-11]。將正弦天線與微帶介質(zhì)天線結(jié)合方法需要使用饋電巴倫，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)方法所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)較為復雜，延伸介質(zhì)尺寸方法雖易于實現(xiàn)，圓極化性能不夠理想。在保證展寬天線波束和低仰角增益的同時，提高圓極化性能是延伸介質(zhì)方法的關(guān)鍵技術(shù)之一。

以衛(wèi)星導航天線需求為背景，本文擬采用延伸介質(zhì)板的邊長展寬天線的波束的方法，并加入調(diào)諧枝節(jié)保證天線的圓極化性能，設(shè)計一種可工作在L頻點1 616 MHz和S頻點2 492 MHz的雙層寬波束微帶天線。其中L頻點用作天線的接收，S頻點用作天線的發(fā)射，并利用Ansoft HFSS仿真測試了該雙層寬波束微帶天線L頻點和S頻點的相關(guān)特性。

1 設(shè)計理論

一般微帶天線的輻射貼片為矩形，設(shè)矩形輻射貼片長為a，寬為a′。對于使用相對介電常數(shù)為εr的介質(zhì)基板，中心頻率為fmn的微帶天線，則有[12]

(1)

式中c為真空中的光速，m,n∈。矩形微帶天線傳輸主模為TM010模，即m=0，n=1，fmn取值則為天線的中心頻率。在采取雙點饋電結(jié)構(gòu)時，輻射貼片通常選取正方形，a=a′，即可理論上計算出輻射貼片的邊長。

為展寬天線的波束以及提高低仰角增益，可通過增大矩形微帶天線介質(zhì)基板大小的方式，使微帶天線的輻射一方面來自輻射貼片，沿垂直方向輻射；另一方面來自介質(zhì)基板，沿水平方向輻射，組合成微帶介質(zhì)天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶介質(zhì)天線示意圖

在圖1中，設(shè)微帶介質(zhì)天線的介質(zhì)板邊長為d，介質(zhì)延伸的長度為l，則其滿足的關(guān)系為[6]

g=kl/λ0，

(2)

式中g(shù)為天線水平方向增強的輻射強度，λ0為天線的工作波長，比例系數(shù)取值約為k=7～8。則d的大小可為

d=a+2l。

(3)

依據(jù)式(2)和(3)，可以給出介質(zhì)板邊長及介質(zhì)延伸的長度為理論估算值。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到設(shè)計的天線需要工作在兩個頻點，采用上、下雙層結(jié)構(gòu)方式，上層工作在S頻點2 492 MHz，下層工作在L頻點1 616 MHz，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩層天線用螺柱進行連接，兩層介質(zhì)板之間留有8mm間距供安裝饋電網(wǎng)絡(luò)。由于介質(zhì)板的增大，需要在輻射貼片四角加上一小段調(diào)諧枝節(jié)，以保證在不影響天線圓極化性能的情況下，能方便對輻射貼片的大小進行調(diào)節(jié)。為使天線獲得較高的增益，選取相對介電常數(shù)εr=9.6，厚度h=4 mm的介質(zhì)基板，兩層天線均采用雙點同軸線方式饋電，激勵兩個幅度相等，相位相差90°的波以實現(xiàn)圓極化。

(a) 雙層天線正面輻射貼片

(b)雙層天線側(cè)面

經(jīng)Ansoft HFSS仿真優(yōu)化后，計算可得天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1雙層天線結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸參數(shù)/mm

頻點輻射貼片邊長a接地板邊長b/mm介質(zhì)板邊長d饋電點位置c調(diào)諧枝節(jié)長度l調(diào)諧枝節(jié)寬度wL:1 616 MHz2740158.45.13.61.8S:2 492 MHz17.424853.83.21.6

3 仿真測試

在得到優(yōu)化設(shè)計的天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)后，再利用Ansoft HFSS 13仿真軟件對天線進行模型繪制和相關(guān)性能仿真。

繪制得到的三維模型如圖3所示。圖中上層為S頻點用作天線的發(fā)射，下層為L頻點用作天線的接收。

兩層天線均具有兩個饋電端口，1端口和2端口，L頻點和S頻點的兩端口回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 天線三維模型

圖4 回波損耗仿真結(jié)果

由圖4可見，L頻點兩端口回波損耗帶寬(|S11|<-15 dB)均為22 MHz，S頻點兩端口回波損耗帶寬(|S11|<-15 dB)均為39 MHz，說明天線獲得了良好的匹配。

在取φ=0平面上，軸比仿真結(jié)果如圖5所示。由此可見，L頻點正前方軸比為0.29 dB，3 dB軸比波束寬度為87°。S頻點正前方軸比為0.38 dB，3 dB軸比波束寬度為86°，表明圓極化性能良好。

圖5 軸比仿真結(jié)果

為了與普通微帶天線進行比較，選取相同介電常數(shù)和相同厚度的介質(zhì)基板，分別設(shè)計工作在L頻點和S頻點的雙點饋電圓極化微帶天線并進行仿真，與寬波束微帶天線進行參數(shù)對比。L頻點寬波束微帶天線與普通微帶天線φ=0平面的方向圖仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6兩種天線L頻點方向圖

從圖6可以得到L頻點寬波束天線與普通微帶天線3 dB波束寬度，30°仰角增益、10°仰角增益等參數(shù)對比結(jié)果，如表2所示。

S頻點寬波束微帶天線與普通微帶天線φ=0平面的方向圖仿真結(jié)果如圖7所示。

表2 兩種天線L頻點仿真結(jié)果對比

同樣，從圖7可以得到S頻點寬波束天線與普通微帶天線3 dB波束寬度、30°仰角增益、10°仰角增益等參數(shù)對比結(jié)果，如表3所示。

表3 兩種天線S頻點仿真結(jié)果對比

由表2和表3可已看出，設(shè)計仿真的寬波束天線在L頻點波束寬度比普通微帶天線寬64°，10°仰角增益高3.88 dBic，30°仰角增益高2.41dBic。S頻點波束寬度比普通微帶天線寬85°，10°仰角增益高2.91 dBic，30°仰角增益高0.77 dBic。

4 結(jié)束語

基于延伸介質(zhì)尺寸的方法，采用兩層雙點同軸線饋電方式，設(shè)計了一種可工作在L頻點或S頻點的雙層寬波束微帶天線。仿真表明，所設(shè)計寬波束微帶天線L頻點的3 dB波束寬度為173°，10°仰角增益為0.61 dB。S頻點的3 dB波束寬度為178°，10°仰角增益為0.44 dB。表明雙層天線方向圖在L和S頻點均具有極好的半球覆蓋能力，且圓極化性能良好。該雙層寬波束微帶天線，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的寬波束天線設(shè)計的重要方法之一。