新型寬帶寬波束圓極化衛(wèi)星導(dǎo)航終端天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 霞，孫國(guó)莉，李 勛

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司·天津·300301)

0 引 言

圓極化天線憑借其接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)具有抗雨霧和抗多徑干擾的特性，受電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響較小，由載體姿態(tài)變化引起的極化失配損耗小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。GPS導(dǎo)航、測(cè)距和遠(yuǎn)程遙感等應(yīng)用，需要天線在整個(gè)上半空域具有近似一致的響應(yīng)，并具有較高的低仰角增益，以補(bǔ)償該區(qū)域較大的自由空間損耗[1]。同時(shí)，需滿足采用單天線覆蓋衛(wèi)星通信、GNSS和移動(dòng)通信等多個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的需求，促使寬頻帶寬波束圓極化天線的研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[2-5]。

研究表明，采用多臂螺旋天線[6]、折尾十字交叉振子天線和基于超表面[7]等形式可實(shí)現(xiàn)寬圓極化波束寬度設(shè)計(jì)，但工作頻帶難以滿足寬帶應(yīng)用需求；通過利用交叉偶極子天線的演變形式[8]以及在其基礎(chǔ)上增加寄生單元的方法[9-11]，可有效展寬軸比(Axial Ratio, AR)小于3dB的工作頻帶，但圓極化波束寬度有待展寬；文獻(xiàn)[12]提出了利用磁偶極子與電偶極子方向圖互補(bǔ)疊加原理實(shí)現(xiàn)寬頻帶寬波束設(shè)計(jì)的方法，但該形式的磁電偶極子實(shí)現(xiàn)圓極化饋電的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程適用性不足。文獻(xiàn)[13-14]采用正交移相網(wǎng)絡(luò)對(duì)磁偶極子加載的電偶極子進(jìn)行了饋電，分別利用矩形背腔、波紋邊緣矩形背腔展寬了圓極化波束寬度，實(shí)現(xiàn)了26.7%和45.3%的軸比AR<3dB的帶寬。同時(shí)，在26.7%和19.5%的帶寬內(nèi)，圓極化波束寬度達(dá)到了165°。基于上述文獻(xiàn)采用的設(shè)計(jì)方案，本文采用正交移相饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)雙面印刷的正交偶極子天線進(jìn)行了激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化輻射設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用磁偶極子對(duì)電偶極子耦合加載的方式，使天線軸比小于3dB的帶寬達(dá)到了29.5%，使AR<3dB的波束寬度大于180°，實(shí)現(xiàn)了天線寬頻帶寬角域圓極化輻射的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)圓極化波的基本理論，兩個(gè)相互正交、振幅相等、相位相差90°的線極化波可以合成一個(gè)圓極化波。交叉偶極子天線可產(chǎn)生兩個(gè)相互正交的線極化波。通過改變兩個(gè)正交陣子的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)自相移，或者利用功分移相饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等幅相位相差90°的饋電，可產(chǎn)生圓極化輻射波[15]。其中，通過調(diào)節(jié)陣子長(zhǎng)度改變自身阻抗虛部實(shí)現(xiàn)陣子間90°相位差的方法對(duì)頻率變化非常敏感，難以滿足寬頻帶設(shè)計(jì)的需求。本文采用雙面印刷的正交偶極子天線結(jié)合正交移相饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化輻射，同時(shí)利用磁偶極子對(duì)其加載以實(shí)現(xiàn)寬頻帶寬角域圓極化的輻射性能，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由正交偶極子、磁偶極子、圓形背腔、四個(gè)短路柱和同軸饋線構(gòu)成。

圖1 天線幾何模型圖Fig.1 Geometry of proposed antenna

正交偶極子由刻蝕在介電常數(shù)為2.55、厚度為1.14mm的介質(zhì)板上的四個(gè)陣子臂構(gòu)成，分別位于頂層和底層的兩對(duì)正交偶極子臂通過長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的圓環(huán)實(shí)現(xiàn)連接，分別形成90°的激勵(lì)相差。同時(shí)，利用同軸線在天線中心進(jìn)行單點(diǎn)饋電，同軸外導(dǎo)體與底層偶極子相連，同軸內(nèi)芯與頂層偶極子相連，使得四個(gè)陣子臂具有0°、90°、180°、270°的激勵(lì)相位差，可實(shí)現(xiàn)天線的右旋圓極化輻射特性。上述圓極化正交偶極子天線的軸比帶寬較窄，通過在頂層臨近陣子臂的位置加載四個(gè)與正交偶極子強(qiáng)電磁耦合的矩形貼片，可在軸比隨頻率變化的曲線中增加一個(gè)軸比諧振點(diǎn)，從而有效展寬圓極化的工作帶寬，為進(jìn)一步在該天線寬帶圓極化特性的基礎(chǔ)上展寬圓極化波束的覆蓋范圍，將四個(gè)接地短路柱與頂層的寄生矩形貼片連接等效為磁偶極子。根據(jù)電偶極子和磁偶極子方向圖互補(bǔ)疊加原理，將磁偶極子對(duì)交叉偶極子進(jìn)行加載，可實(shí)現(xiàn)交叉偶極子E面方向圖與磁偶極子E面全向圖的方向圖疊加，從而有效展寬圓極化波束寬度。同時(shí)，天線的E面和H面方向圖具有良好的對(duì)稱性。天線背腔的加載在有效提高天線的前后輻射比的同時(shí)，會(huì)對(duì)天線的圓極化輻射性能產(chǎn)生影響。電偶極子天線的后向輻射至背腔表面，將產(chǎn)生感應(yīng)電流，而背腔的結(jié)構(gòu)形式將影響感應(yīng)電流的分布，從而影響反射波的電場(chǎng)分布。經(jīng)過仿真對(duì)比矩形背腔加載和圓形背腔加載對(duì)天線圓極化波束寬度的影響，本文選用了幾何對(duì)稱性良好的圓形背腔對(duì)天線進(jìn)行加載，在提高增益的同時(shí)進(jìn)一步有效展寬了AR<3dB的波束寬度。

2 天線仿真與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文所述設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中天線安裝底座、天線罩、連接器、安裝螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響，在Ansoft HFSS電磁仿真軟件中建立了如圖2所示的仿真模型，以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析正交偶極子、饋電圓環(huán)、磁偶極子等部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線電性能的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)饋電圓環(huán)的半徑、偶極子的長(zhǎng)度、磁偶極子距離偶極子的間距等參數(shù)，可控制電偶極子與磁偶極子工作的幅度和相位，從而對(duì)軸比帶寬和圓極化波束寬度產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，背腔的高度和距離輻射口徑的距離會(huì)影響圓極化波束寬度和天線增益，背腔距離輻射口徑的距離通常取對(duì)應(yīng)于中心頻點(diǎn)的四分之一波長(zhǎng)。天線的阻抗帶寬主要受饋電圓環(huán)的線寬和印刷陣子寬度的影響。通過調(diào)節(jié)天線結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，對(duì)阻抗帶寬、軸比帶寬、圓極化波束寬度、增益等指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化仿真，天線的主要參數(shù)為：磁耦極子的寬度Wp=36.8mm，交叉偶極子的長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)d=32mm、Wd=7.6mm；交叉偶極子與磁耦極子的間距Sd=1mm，磁偶極子短路探針的位置參數(shù)Dx=9mm，背腔的高度和直徑分別為Hc=32mm、Rc=126mm，饋電圓環(huán)的半徑Rf=3.9mm，加工的實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 天線仿真模型Fig.2 Simulation model of the proposed antenna

圖3 天線加工實(shí)物圖Fig.3 Photograph of the proposed antenna

在微波暗室中對(duì)天線的方向圖和回波損耗進(jìn)行測(cè)量，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的天線饋電端口的輸入反射系數(shù)S11和仿真數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4可以看出，天線在50.7%的相對(duì)帶寬內(nèi)S11<-10dB，仿真的S11與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性較好。各頻點(diǎn)的仿真與實(shí)測(cè)E面的軸比方向圖如圖5所示。從圖5可以看出，天線在1.3～1.75GHz頻帶內(nèi)AR<3dB的圓極化波束寬度大于180°，且仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性較好。

圖4 天線的仿真與實(shí)測(cè)S11數(shù)據(jù)Fig.4 Simulation and measurement S11 of the proposed antenna

(a)頻率f=1.3GHz

(b)頻率f=1.5GHz

(c)頻率f=1.75GHz圖5 仿真與實(shí)測(cè)E面軸比方向圖Fig.5 Simulation and measurement axial ratio pattern in E plane

天線各頻點(diǎn)的仿真與實(shí)測(cè)E面右旋圓極化方向圖如圖6所示。從圖6可知，在1.3～1.75GHz頻帶內(nèi)最大輻射方向增益≥6.6dB，驗(yàn)證了采用背腔加載提高天線前后輻射比的有效性。圖7所示為頻率為1.5GHz時(shí)E面的主極化和交叉極化的仿真方向圖與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，以及E面與H面主極化方向圖的對(duì)比。從圖7可以看出，天線的E面與H面方向圖對(duì)稱性良好，同時(shí)具有較低的交叉極化電平。

(a)仿真E面右旋圓極化方向圖

(b)實(shí)測(cè)E面右旋圓極化方向圖圖6 仿真與實(shí)測(cè)E面右旋圓極化方向圖Fig.6 Simulation and measurement right-hand circular polarization radiation pattern in E plane

圖7 頻率為1.5GHz時(shí)E面與H面的方向圖特性Fig.7 Radiation pattern in E plane and H plane at 1.5GHz

3 結(jié) 論

本文提出了一種實(shí)現(xiàn)寬帶寬圓極化波束衛(wèi)星導(dǎo)航終端天線的設(shè)計(jì)方法，通過采用正交相移網(wǎng)絡(luò)對(duì)交叉偶極子饋電形成了右旋圓極化輻射，同時(shí)利用磁偶極子和反射背腔對(duì)交叉偶極子進(jìn)行了加載。仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證表明，在1.25～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)滿足S11<-10dB；在1.3～1.75GHz的頻帶內(nèi)軸比小于3dB，圓極化波束寬度≥180°，增益≥6.6dB，而且天線在工作帶寬內(nèi)的E面和H面方向圖的對(duì)稱性與穩(wěn)定性良好，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶寬圓極化波束寬度的輻射性能，充分驗(yàn)證了文中設(shè)計(jì)方案的有效性。為提高所設(shè)計(jì)天線的工程應(yīng)用價(jià)值，天線相位中心的穩(wěn)定性和低剖面小型化等問題有待后續(xù)進(jìn)一步研究，以適應(yīng)衛(wèi)星通信與導(dǎo)航地面終端系統(tǒng)的應(yīng)用需求。