一種小型圓極化天線設(shè)計(jì)

萬(wàn) 聰，徐聲海

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101；2.海裝上海局駐揚(yáng)州地區(qū)軍事代表室，江蘇 揚(yáng)州 225001)

0 引 言

圓極化天線的小型化是研究圓極化天線的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，微帶貼片圓極化天線實(shí)現(xiàn)小型化的主要方式一般有：加載高介電常數(shù)的介質(zhì)基板[1]、加載縫隙[2]、加載枝節(jié)、加載地面開(kāi)槽、加載短路結(jié)構(gòu)[3-4]等。

本文提出了一種小型化單饋圓極化微帶貼片天線，通過(guò)將加載技術(shù)與堆疊結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)天線最低工作頻率的有效減小，使天線在總體尺寸不變的情況下諧振頻率降低了38%。本章詳細(xì)闡述了此天線的設(shè)計(jì)流程，分析對(duì)比此天線設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的改變對(duì)其性能造成的影響。最終設(shè)計(jì)的天線具有很好的圓極化特性和輻射性能，證明了此小型圓極化天線結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)越性。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用單點(diǎn)同軸線饋電、堆疊式結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板共有上下2層，厚度分別為0.8 mm和2.4 mm，選用相對(duì)介電常數(shù)為3的F4B作為板材，尺寸為35 mm×35 mm。2層介質(zhì)板之間無(wú)空氣層，一定程度上減小了天線的總體厚度和加工難度，并且增加了天線的物理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。天線共有上、下2個(gè)矩形輻射貼片，分別為Patch1和Patch2，它們的結(jié)構(gòu)如圖2所示。2個(gè)輻射貼片的四角都開(kāi)有長(zhǎng)度不同的矩形縫隙環(huán)。天線上層輻射貼片與同軸線的導(dǎo)體內(nèi)芯直接相連，第2層輻射貼片通過(guò)半徑為r0的圓形開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)口徑耦合饋電，選用這種耦合饋電的方式可以避免同軸饋線與下層輻射貼片直接連接，可以減小饋電位置對(duì)天線性能的影響。另外，這種結(jié)構(gòu)可以起到加載感抗的作用，降低使用同軸線背饋引入的高電感對(duì)天線帶來(lái)的影響[5]。

圖2 矩形輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)在2個(gè)矩形輻射貼片的4個(gè)角加載被矩形縫隙環(huán)圍繞的接地短路針結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上降低天線的最低諧振頻率，矩形縫隙環(huán)的寬度為s，接地短路針的半徑為rhole。加載封閉的矩形縫隙環(huán)結(jié)構(gòu)和接地短路針相當(dāng)于引入等效電容和等效電感，最終使天線輻射貼片的表面電流集中于矩形縫隙環(huán)附近，從而起到延長(zhǎng)天線表面電流路徑的作用。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線諧振頻率的降低，用短路針將天線上層輻射貼片、下層輻射貼片與天線地板三者相連。

天線部分參數(shù)如表1所示。

表1 天線參數(shù)表

2 天線性能

圖3給出了天線的|S11|和最大輻射方向上的軸比圖，可以看出，該天線的相對(duì)阻抗帶寬為88.0 MHz(2.694 GHz～2.782 GHz)，3 dB軸比帶寬為20 MHz(2.714 GHz～2.734 GHz)。

圖3 天線的|S11|和軸比隨頻率變化的曲線圖

圖4給出了天線在2.72 GHz時(shí)xoz面和yoz面軸比隨θ值的變化圖，可以看出天線的3 dB軸比波束寬度可以達(dá)到140°，這說(shuō)明本天線具有較好的圓極化性能。

圖4 天線在2.72 GHz軸比隨θ角變化圖

天線在2.72 GHz的xoz面與yoz面方向圖如圖5所示?？梢钥闯?，天線的最大輻射方向?yàn)閦軸正方向。最大輻射方向上的左旋圓極化增益比右旋圓極化增益分別大18.6 dB(xoz面)和19.3 dB(yoz面)，圓極化輻射特性良好。

圖5 天線在2.72 GHz處的平面方向圖

圖6給出了天線的增益曲線和效率曲線，可以看出，本天線工作頻帶內(nèi)的增益在4.87 dB以上，天線輻射效率高于92%。

圖6 天線的增益和輻射效率隨頻率的變化曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種小型圓極化微帶天線，本天線通過(guò)單點(diǎn)饋電，首先將上下2個(gè)矩形輻射貼片通過(guò)短路針與天線地板相連，之后加入圍繞短路針的矩形縫隙環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化，在不改變?cè)炀€厚度和輻射貼片輪廓的情況下，可以達(dá)到63%的尺寸縮減；然后通過(guò)改變特定矩形縫隙環(huán)的長(zhǎng)度引入擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)天線圓極化工作。本文還研究了幾個(gè)主要尺寸參數(shù)對(duì)天線|S11|和軸比的影響。最終設(shè)計(jì)的天線在不采用高介電常數(shù)介質(zhì)板的條件下總體尺寸僅為0.32λ0×0.32λ0×0.03λ0(λ0為2.7 GHz的自由空間波長(zhǎng))，天線帶內(nèi)最大增益為5.03 dB，輻射性能良好。另外，本天線的設(shè)計(jì)為之后小型化頻率和極化可重構(gòu)天線中極化的可重構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。