基于人工電磁結(jié)構(gòu)的寬帶寬波束高增益圓極化微帶天線陣

林家棟 柴晉飛 蘇周 巫勇

摘? 要：圓極化微帶天線因其特有的極化優(yōu)勢，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。為滿足不斷發(fā)展的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，要求圓極化微帶天線具備較寬的帶寬和波束。本文介紹了一型基于人工電磁結(jié)構(gòu)的寬帶寬波束高增益圓極化微帶天線陣，并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該天線具有較寬的帶寬和波束特性，為圓極化微帶天線在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：寬帶? 寬波束? 圓極化? 微帶天線

中圖分類號(hào)：TN823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0128-04

Wide-Bandwidth Wide Beam Circular Polarized Microstrip Antenna Array with High Gain Based on Artificial

Electromagnetic Structure

LIN Jiadong1? CHAI Jinfei2? SU Zhou1? WU Yong1

（1. Air Force Early Warning Academy， Wuhan， Hubei province， 430019 China; 2. General Office of the Military Representative Bureau of the Air Force Equipment Department in Chengdu， Chengdu，

Sichuan province， 610051? China）

Abstract： Circularly polarized microstrip antennas are widely used in satellite communication systems due to their unique polarization advantages. In order to meet the ever-developing satellite communication system， the circularly polarized microstrip antenna is required to have a wider bandwidth and beam. A wide-bandwidth wide-beam high-gain circularly polarized microstrip antenna array based on artificial electromagnetic structure was introduced， and the simulation results show that the antenna has a wide bandwidth and beam characteristic. It provides a reference for the application of the circularly polarized microstrip antenna in the satellite communication system.

Key Words： Wide-bandwidth; Wide beam; Circular polarization; Microstrip antenna array

圓極化天線能有效抵抗多徑失真、極化失配損耗和由電離層引起的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。因此，圓極化天線非常適合用于各種無線系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）、移動(dòng)通信、無線電頻率識(shí)別、無線局域網(wǎng)等。如圖1所示，目前圓極化天線形式多樣，主要有軸向螺旋天線[1]、交叉偶極子天線[2-3]和微帶貼片天線[4-5]等。對(duì)于交叉偶極子天線，圓極化輻射由兩個(gè)饋以幅度相同，相位相差90°信號(hào)源的正交半波長偶極子產(chǎn)生。對(duì)于微帶貼片天線，可以通過單饋和多饋兩種方法實(shí)現(xiàn)圓極化輻射[6]，但其工作帶寬較窄[7]。對(duì)于多饋技術(shù)，主要是通過兩個(gè)及以上的饋電端口來對(duì)天線進(jìn)行饋電來形成兩個(gè)幅度相等，且相位差90°的簡并模，從而達(dá)到圓極化效果。對(duì)于單饋技術(shù)，一般是通過貼片上切角或者加載寄生貼片，以及調(diào)節(jié)探針在貼片上的饋電位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)電場產(chǎn)生微擾[8]，產(chǎn)生2個(gè)相位差為 90°的簡并模，從而達(dá)到圓極化的效果。為使圓極化天線能夠覆蓋較寬頻帶，要求帶寬大于20%，本文采用包含多個(gè)威爾金森功率分配器的饋電網(wǎng)絡(luò)拓寬天線帶寬。較寬的輻射波束對(duì)于終端接收衛(wèi)星信號(hào)非常必要，而傳統(tǒng)的微帶天線陣僅有約40°～50°窄的半功率波束寬度和3dB軸比波束寬度，本文采用加載人工電磁結(jié)構(gòu)的方式拓寬波束寬度。

1? 天線分析與仿真

示意圖如圖2所示，圖2（a）和（b）分別是天線的俯視圖和結(jié)構(gòu)分解圖。天線由三層介質(zhì)基板層組成，接地金屬探針穿過第一和第二層介質(zhì)基板與地相連，并且放置于輻射結(jié)構(gòu)周圍。如圖2（b）所示，在第一層介質(zhì)基片中挖出方形孔以減少輻射損耗，同時(shí)，第一層介質(zhì)基板上層的一個(gè)金屬方形環(huán)連接所有金屬探針，金屬探針的位置在方形環(huán)中線。一個(gè)2×2微帶陣列在該天線的第二層介質(zhì)基板，其目的是實(shí)現(xiàn)高增益輻射。如圖2（b）所示，在第三層基板，一個(gè)包含3個(gè)1/2的威爾金森功分器和1/4波長移相器的饋電網(wǎng)絡(luò)位于介質(zhì)基板底層，而金屬地結(jié)構(gòu)位于該介質(zhì)基板頂層，第三層介質(zhì)基板的主要功能是展寬帶寬，產(chǎn)生圓極化。所有3個(gè)介質(zhì)基板都使用了相對(duì)介電常數(shù)為2.2的Rogers 5880材料。第一和第二層基板高度均為1mm，第三層基板高度為0.5mm。

對(duì)該天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真，表1是該天線優(yōu)化后的參數(shù)。天線回波損耗（S11）和軸比如圖3中所示，表明該天線具有較寬的阻抗帶寬（10.8～13.4GHz）和3dB軸比帶寬（10.9～13.5GHz），帶寬達(dá)到了21.7%。威爾金森功率分配器是一種寬帶結(jié)構(gòu)[9]，因此饋電網(wǎng)絡(luò)是拓寬帶寬的關(guān)鍵技術(shù)。3個(gè)威爾金森功率分配器是由微帶線連接實(shí)現(xiàn)一分四功分饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出信號(hào)相鄰單元間具有90°相位差的特性。饋電網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)如圖4所示。4個(gè)端口在10.8～13.5GHz頻段，輸出信號(hào)幅度波動(dòng)小于0.8dB，而相鄰端口相位差90°。

研究了第一層介質(zhì)基板參數(shù)對(duì)天線波束的影響，如圖2所示，W2是方環(huán)外部的寬度，取W2= 35mm，W2= 40mm和不加載第一層介質(zhì)基板，圖5（a）顯示了不同的W2對(duì)波束寬度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，半功率波束形狀在沒有第一層介質(zhì)基板時(shí)比較尖而陡，但隨著W2增加而變得平坦。L1是金屬探針之間的間距，取L1=32.5mm，16.25mm，8.125mm和不加載第一層介質(zhì)基板，圖5（b）顯示了不同的L1對(duì)波束寬度的影響，可以發(fā)現(xiàn)，3dB軸比波束寬度在沒有第一層介質(zhì)基板時(shí)僅有50°，但當(dāng)L1=16.25mm時(shí)，將變寬為92°。圖6（a）顯示了在xOz和yOz截面增益和軸比隨θ的變化，可以發(fā)現(xiàn)，3dB軸比波束寬度超過90°而半功率波束寬度超過100°。圖6（b）表明，該天線的增益在工作頻帶內(nèi)都大于5dB。

2? 結(jié)語

本文提出了一種用威爾金森功分網(wǎng)絡(luò)饋電并加載人工電磁結(jié)構(gòu)的寬帶寬波束高增益天線。它的阻抗匹配帶寬（| S11 |<10dB）達(dá)到了21.7%（10.8～13.4 GHz），圓極化軸比帶寬（小于3dB）也達(dá)到了21.7%（10.9～13.5GHz），寬半功率波束寬度大于105°，3dB軸比波束寬度大于90°。此外，該天線具有較高的輻射增益，在整個(gè)工作帶寬增益大于5dB。由于這些突出的特性，該天線在Ku和X波段的衛(wèi)星通信、國際海事衛(wèi)星通信以及許多其他類型的寬帶無線通信中都有很好的應(yīng)用前景。

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