雙頻雙圓極化小型化微帶天線的設(shè)計(jì)*

錢 能

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

空間技術(shù)的快速發(fā)展，使得衛(wèi)星通信逐漸完善，在人類社會(huì)生活中占據(jù)重要地位。圓極化天線信號(hào)接收能力較強(qiáng)，不易受到外界干擾。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電磁波在電離層發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得圓極化微帶天線廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，也得到了眾多研究學(xué)者的關(guān)注[1]。衛(wèi)星終端天線對(duì)天線體積要求較高，需要采用小型化技術(shù)構(gòu)造。為此，本文提出了一種雙頻雙圓極化小型化微帶天線設(shè)計(jì)。

1 微帶天線基本理論

微帶天線指的是一種利用薄介質(zhì)基片構(gòu)造的金屬天線，由兩面構(gòu)成，其中一面是金屬薄層接地板，另外一面是特制形狀的金屬貼片。該貼片采用的制造方法為光刻腐蝕法[2]。目前，應(yīng)用較多的微帶天線有4種類型，包括微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線[3]。其中，微帶貼片天線由輻射貼片、介質(zhì)基板和接地板3部分構(gòu)成；微帶振子天線采用的敷設(shè)貼片為細(xì)線振子或者片狀振子；微帶行波天線在微帶線發(fā)生周期性變化產(chǎn)生輻射時(shí)而生成；微帶縫隙天線選取微帶線耦合饋電作為主要饋電方式完成相應(yīng)操作[4]。

本文選擇微帶天線作為研究對(duì)象，因?yàn)樵擃愋吞炀€與其他類型天線相比存在以下3項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

（1）體積小、剖面較薄、形狀容易控制、重量輕，在運(yùn)行過(guò)程中不易受到外界干擾，載體機(jī)械結(jié)構(gòu)安全性較高；

（2）將器件與有源電路結(jié)合到一起形成組件，加工流程簡(jiǎn)單，成本低，支持批量生產(chǎn)；

（3）支持多頻段、雙極化、圓極化運(yùn)行[5]。

2 微帶天線基本技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的雙頻雙圓極化小型化微帶天線采用了3項(xiàng)基本技術(shù)，包括微帶天線雙頻技術(shù)、微帶天線圓極化技術(shù)和微帶天線小型化技術(shù)[6]。本文將對(duì)這3項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，將其作為微帶天線設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

2.1 微帶天線雙頻技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)指的是同一微帶天線支持兩種不同頻帶共同協(xié)作綜合性通信技術(shù)，采用兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)此技術(shù)功能的方法如下。

第一，在主貼片上方粘貼寄生貼片，將空氣層設(shè)置在兩層貼片之間，增加了天線厚度。

第二，在主貼片下方粘貼寄生貼片，將該貼片作為主貼片地板，通過(guò)調(diào)節(jié)饋點(diǎn)位置，使得天線得以雙頻工作[7]。

2.2 微帶天線圓極化技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是在極化天線與圓極化天線之間建立通信橋梁，在移動(dòng)通信中應(yīng)用較多。運(yùn)行過(guò)程中，它不容易受到雨霧干擾，具有抵抗多徑反射功效[8]。

工作原理如下：天線工作期間產(chǎn)生兩個(gè)線極化電場(chǎng)分量，兩者互相垂直且具有相等的振幅，相位差值為90°。作用體現(xiàn)在Smith圓圖上，通過(guò)分析兩個(gè)簡(jiǎn)并模，在阻抗曲線中生成尖端[9]。目前，應(yīng)用較多的圓極化實(shí)現(xiàn)方法為多元法、多饋法和單饋法[10]。

2.3 微帶天線小型化技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)主要用來(lái)滿足電子設(shè)備尺寸需求，采用小型化技術(shù)以減小微帶天線尺寸[11]。目前，應(yīng)用較多的小型化技術(shù)有5個(gè)，包括曲流技術(shù)、高介電常數(shù)介質(zhì)基板、加載技術(shù)、分形結(jié)構(gòu)和超材料[12]。

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用微帶天線雙頻技術(shù)、微帶天線圓極化技術(shù)和微帶天線小型化技術(shù)，設(shè)計(jì)雙頻雙圓極化小型化微帶天線。設(shè)計(jì)要求：雙頻段天線設(shè)計(jì)，包括低頻段和雙頻段；前者工作狀態(tài)為右旋圓級(jí)化，后者工作狀態(tài)為左旋圓極化；尺寸在40 mm以下，剖面在5 mm左右?？紤]到地板強(qiáng)度，本次研究選取厚度為2 mm的鋁板作為天線制作材料，兩個(gè)頻段增益控制在3 dBi以上。

為了滿足設(shè)計(jì)要求，本次研究采用雙層結(jié)構(gòu)，綜合帶寬、增益等多種因素，選取Rogers RO3006作為天線材料設(shè)計(jì)多種組合，經(jīng)過(guò)分析最終確定結(jié)構(gòu)組合方式[13]。

結(jié)構(gòu)1：采用常規(guī)圓極化微帶天線，不需要對(duì)此天線采取小型化處理；

結(jié)構(gòu)2：設(shè)計(jì)小型化微帶天線，此天線四邊開(kāi)不對(duì)等；

結(jié)構(gòu)3：設(shè)計(jì)小型化微帶天線，此天線四角開(kāi)不對(duì)等；

結(jié)構(gòu)4：設(shè)計(jì)小型化微帶天線，此天線一側(cè)開(kāi)有圓形槽；

結(jié)構(gòu)5：IF型微帶天線；

結(jié)構(gòu)6：TS型微帶天線；

結(jié)構(gòu)7：AS型微帶天線。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，采取不同組合方式得到以下設(shè)計(jì)方案。

（1）結(jié)構(gòu)1（上）+結(jié)構(gòu)1（下）。該方法站在理論角度可行性較高，但是其低介電常數(shù)的設(shè)置會(huì)對(duì)天線尺寸造成影響，過(guò)大尺寸將不滿足小型化要求。如果采用高介電常數(shù)，雖然能夠滿足尺寸要求，但是得到的天線雙頻較小，導(dǎo)致兩層貼片尺寸過(guò)近，加大了制造難度。另外，該設(shè)計(jì)方案天線兩端口隔離度不滿足要求，位于低頻段隔離度約為-3 dB。

（2）結(jié)構(gòu)2（上）+結(jié)構(gòu)2（下）/結(jié)構(gòu)3（上）+結(jié)構(gòu)3（下）。從理論角度看，該方法不可行。上貼片與下貼片之間的電流耦合過(guò)于強(qiáng)烈，導(dǎo)致兩個(gè)不同頻段環(huán)境下天線無(wú)法正常運(yùn)行，產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率偏移，且軸比惡化嚴(yán)重。

（3）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)1（下）。從理論角度看，該方法不可行。采用常規(guī)貼片貼于下層，無(wú)法與高頻貼片匹配，原因?yàn)樘炀€容性加載。

（4）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)4（下）。從理論角度看，該方法不可行。下層貼片設(shè)置屬于探針過(guò)孔，下層貼片設(shè)置屬于微擾單元，兩者無(wú)法組合工作。在兩個(gè)頻段中運(yùn)行，將嚴(yán)重影響天線壽命。

（5）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)5（下），從理論角度看，該方法不可行。在不同頻段下，天線運(yùn)行過(guò)程中，軸比特性將急劇惡化，不滿足設(shè)計(jì)要求。

（6）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)6（下）。從理論角度看，該方法可行。上層貼片和下層貼片均采用曲流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案滿足尺寸要求，根據(jù)實(shí)際要求靈活調(diào)節(jié)位置，可以使兩個(gè)頻段相互獨(dú)立。當(dāng)TS型天線尺寸固定不變時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)IF型結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)頻段的增益調(diào)整。

（7）結(jié)構(gòu)6（上）+結(jié)構(gòu)7（下）。從理論角度看，該方法可行。該組合方案與第六種組合方式相似，兩者之間差異在于饋電位置的設(shè)置。該組合方式是在天線上添加介質(zhì)螺釘，將其固定到天線上，使得兩者之間不留有縫隙。然而，該項(xiàng)操作需要利用螺釘對(duì)貼片四角對(duì)稱位置與天線中心位置進(jìn)行固定，但是這種固定方式與貼片饋電點(diǎn)位設(shè)置不符，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，本文采用結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)6（下）組合方式設(shè)計(jì)微帶天線。按照這種組合模式，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

如圖1所示，微帶天線主要由3部分構(gòu)成，包括接地板、空氣層和圓形缺口貼片。首先，在開(kāi)口左右對(duì)稱位置設(shè)置圓形貼片粘貼點(diǎn)并粘貼貼片，將探針饋電技術(shù)作用于貼片上形成微擾，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整饋電位置、缺口寬度、缺口深度，使得分離后的兩個(gè)空間幅度相同、空間處于正交狀態(tài)，兩者相位差值為90°，實(shí)現(xiàn)圓極化特性。其次，在圓形缺口貼片內(nèi)側(cè)開(kāi)環(huán)構(gòu)槽形成圓形缺口貼片，要求該貼片滿足尺寸大小要求，符合諧振頻率要求控制要求。最后，在兩貼片正交位置設(shè)置缺口貼片位置，以此構(gòu)建雙頻端雙圓極化。為了使四角窄金屬條獲取激勵(lì)，本文在設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)以內(nèi)側(cè)貼片為中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，設(shè)置探針饋電作用位置，將內(nèi)側(cè)+45°窄金屬帶條、-45°窄金屬帶條、+135°窄金屬帶條、-135°窄金屬帶條分別與外側(cè)貼片連接，在探針饋電作用下產(chǎn)生激勵(lì)，使得各個(gè)帶條能夠正常工作。

4 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)底板與介質(zhì)基之間空氣的厚度為h，外側(cè)輻射貼片的外部直徑為R1，介質(zhì)厚度為t，內(nèi)側(cè)貼片直徑為R2；窄金屬帶條寬度設(shè)置為1 mm，用于連接外層貼片和內(nèi)層貼片。另外，將內(nèi)部貼片缺口寬度設(shè)置為S1，深度為P1，外部貼片缺口寬度設(shè)置為S2，深度為P2，中心點(diǎn)與饋電點(diǎn)之間的距離則用r表示。

本次研究設(shè)計(jì)采用的介質(zhì)基片厚度為2 mm，通過(guò)調(diào)節(jié)R1來(lái)控制介質(zhì)層貼片低端諧振頻率，同時(shí)調(diào)節(jié)R2來(lái)控制介質(zhì)層貼片高端諧振頻率，計(jì)算公式如下：

式（1）中，ar代表貼片半徑，f0代表諧振頻率，C0代表光速，εr代表介電常數(shù)。本次研究取值1.84。

利用內(nèi)層貼片微繞量S1、P1與外層貼片S2、P2共同調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)圓極化性能。經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)，設(shè)置外層貼片和內(nèi)層貼片環(huán)形槽寬度為d，在RHCP位置設(shè)置頻段1 280 MHz、在LHCP位置設(shè)置頻段2 320 MHz，形成雙頻雙圓極化微帶天線。

5 小型化分析

本文在設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)，在切角方形微帶的下層位置粘貼L型縫隙，是為了完成小型化處理。通過(guò)計(jì)算貼片不開(kāi)槽情況下的貼片尺寸大小，來(lái)判斷設(shè)計(jì)方案是否滿足小型化設(shè)計(jì)要求。天線工作頻率計(jì)算公式為：

式（2）中，c代表自由空間光速，

當(dāng)微帶天線的工作頻率達(dá)到1.62 GHz時(shí)，方形貼片邊長(zhǎng)為49 mm。通過(guò)仿真優(yōu)化處理后，貼片邊長(zhǎng)為48.5 mm。本文設(shè)計(jì)的L型縫隙天線貼片為39 mm，較未處理前，天線尺寸縮小了25.6%，滿足小型化要求。

6 仿真測(cè)試分析

本次測(cè)試的頻點(diǎn)為1 280 MHz頻點(diǎn)和2 320 MHz頻點(diǎn)。前者匹配的圓極化特性為RHCP，后者匹配的圓極化特性為L(zhǎng)HCP。圖2為中心頻率為1 280 MHz的雙頻帶駐波與軸比仿真曲線。

圖2 中心頻率1 280 MHz雙頻帶駐波與軸比仿真曲線

圖3 為中心頻率為2 320 MHz的雙頻帶駐波與軸比仿真曲線。

通過(guò)觀察圖2和圖3的結(jié)果可知，微帶天線在1 280 MHz頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化。當(dāng)頻帶位于1 265～1 325 MHz或2 300～2 355 MHz時(shí)，駐波低于2，微帶天線在2 320 MHz頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化；當(dāng)頻帶位于1 270～1 285 MHz或2 305～2 340 MHz時(shí)，駐波低于2。

圖3 中心頻率2 320 MHz雙頻帶駐波與軸比仿真曲線

圖4 為中心頻率1 280 MHz增益曲線。

圖4 中心頻率1 280 MHz增益曲線

圖5 為中心頻率2 320 MHz增益曲線。

圖5 中心頻率2 320 MHz增益曲線

通過(guò)觀察圖4和圖5可知，兩個(gè)頻段下帶寬增益在6 dBi以上?？梢?jiàn)，本文提出的設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析雙頻雙圓極化小型化微帶天線設(shè)計(jì)要求，將多種結(jié)構(gòu)兩兩組合，分別展開(kāi)理論分析，最終選取結(jié)構(gòu)IF（上）+結(jié)構(gòu)AS（下）組合方式設(shè)計(jì)微帶天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由接地板、空氣層、圓形缺口貼片3部分構(gòu)成，經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)、小型化分析確定微帶天線設(shè)計(jì)方案。觀察仿真測(cè)試結(jié)果可知，本文提出的設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)要求。