一種雙圓極化微帶天線陣列的設(shè)計(jì)

趙東賀，吳 旭，韓國(guó)棟

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，圓極化天線在越來(lái)越多的領(lǐng)域中應(yīng)用。與線極化天線相比,圓極化天線在一定損失的前提下,可以接收任意線極化信號(hào),圓極化信號(hào)也可由任意線極化天線接收。圓極化天線具有接收穩(wěn)定，可以抵消電離層極化旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、抗云、雨衰落強(qiáng)、以及抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程技術(shù)上有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。頻譜資源爭(zhēng)奪日益激烈，基于頻率復(fù)用技術(shù)和極化分集技術(shù)的雙圓極化天線通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)使用雙圓極化天線系統(tǒng)，提升了通信系統(tǒng)的通信容量，提高了頻譜使用效率，在衛(wèi)星導(dǎo)航通信、高通量數(shù)據(jù)傳輸、軍事通信等領(lǐng)域得到了大規(guī)模使用。圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)方式通常包括[4]：基于微擾元實(shí)現(xiàn)正交極化簡(jiǎn)并模分離的單饋點(diǎn)圓極化微帶天線、多點(diǎn)正交饋電結(jié)合圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)的多饋點(diǎn)圓極化微帶天線，以及圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)和多線極化微帶天線的多元法等?，F(xiàn)階段雙圓極化微帶天線多采用多饋點(diǎn)的天線形式，通過(guò)多饋電實(shí)現(xiàn)雙線極化，使用圓極化網(wǎng)絡(luò)改變不同饋點(diǎn)的輸入相位，使雙線極化天線輻射圓極化波[5-6]。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種雙圓極化微帶天線陣列。天線單元為正方形輻射貼片，通過(guò)切角微擾元法來(lái)實(shí)現(xiàn)天線單元的圓極化輻射，天線采用微帶線共面?zhèn)瑞伒酿侂姺绞剑瑑蓷l正交的微帶饋線對(duì)應(yīng)天線單元不同的圓極化方式，天線陣列采用串-并聯(lián)混合的合成網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)方式，實(shí)現(xiàn)天線的集成化、小型化設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工天線實(shí)物樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明此天線工作帶寬>10%、軸比帶寬>3%，具有雙圓極化特性。

1 天線單元的設(shè)計(jì)

雙圓極化微帶陣列天線單元采用微擾元法圓極化貼片形式，通過(guò)在一定形狀的微帶貼片上增加微擾元，使輻射的正交極化的簡(jiǎn)并模諧振頻率產(chǎn)生分離,天線的工作頻率與簡(jiǎn)并模諧振頻率匹配，當(dāng)微擾元的面積合適時(shí),對(duì)工作頻率而言,一個(gè)模式的相位超前45°,另一個(gè)模式的相位滯后45°,兩個(gè)模式的幅度分量相當(dāng)，這樣天線就形成了圓極化輻射。

本天線單元采用正方形輻射貼片，在貼片的對(duì)角切去部分作為簡(jiǎn)并模分離微擾元，根據(jù)公式(1)初步確定矩形微帶貼片的長(zhǎng)和寬。

(1)

式中f0為微帶天線的中心頻率；εr為印制板等效介電常數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)天線的雙圓極化輻射，天線單元采用正交的兩條微帶線進(jìn)行饋電，微帶線與天線貼片為共面結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整饋電線尺寸使天線單元獲得良好的阻抗匹配特性。天線結(jié)構(gòu)為單層印制板結(jié)構(gòu)，根據(jù)理論分析確定了天線單元的基本尺寸，在Ansoft HFSS建立仿真模型，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，微帶天線介質(zhì)板基材為T(mén)aconic RF-35板材，介電常數(shù)3.5，介質(zhì)板厚度1mm,損耗角正切0.0018,天線的仿真模型如圖1所示。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，天線貼片寬度w=27mm、切角寬度s=4mm。天線單元仿真結(jié)果如圖2-圖4所示,由圖2可以看出天線單元在2.9GHz-3.1GHz頻帶內(nèi)VSWR<2.0，天線單元在2.955GHz-3.01GHz頻帶內(nèi)AR<3dB,天線最大增益約為6dB。

圖1 天線單元示意圖 圖2 天線單元電壓駐波比仿真結(jié)果

圖3 天線單元方向圖仿真結(jié)果 圖4 天線單元方向圖仿真結(jié)果

2 天線陣列設(shè)計(jì)

為了獲得更高的天線增益，采用6單元的拼陣的天線陣列實(shí)現(xiàn)天線的高增益，考慮天線的小型化要求，陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)采用串-并饋混合饋電網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)多級(jí)阻抗匹配原理，饋電網(wǎng)絡(luò)由若干1/4波長(zhǎng)阻抗變換段和不同長(zhǎng)度的傳輸線組成。在陣列天線網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)，將天線單元旋轉(zhuǎn)90°，同時(shí)改變天線的饋電線與微帶貼片的夾角，利于陣列合成網(wǎng)絡(luò)布線，陣列天線整體為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，天線陣列模型示意圖如圖5所示。建立陣列天線模型，對(duì)陣列天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

陣列天線最終仿真結(jié)果如圖6-圖10所示，由仿真結(jié)果可知陣列天線阻抗帶寬在2.9GHz-3.1GHz頻帶內(nèi)VSWR<2.0，天線串-并饋饋電網(wǎng)絡(luò)后，阻抗帶寬得到了展寬；陣列天線在2.957GHz-3.027GHz頻帶內(nèi)AR<3dB,與單元天線相比，軸比帶寬稍有增加，天線最大增益約為12.5dB。

圖5 天線陣列模型示意圖 圖6 天線陣列電壓駐波比仿真結(jié)果

圖7 天線左旋極化方向圖仿真結(jié)果 圖8 天線右旋圓極化方向圖仿真結(jié)果

圖9 天線軸比仿真結(jié)果 圖10 天線增益仿真結(jié)果

3 實(shí)物與測(cè)試

根據(jù)天線的仿真模型，加工了天線原理樣機(jī)。在微波暗室里對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11-圖15所示，由天線樣機(jī)測(cè)試結(jié)果可知天線電壓駐波比在2.93GHz-3.1GHz頻帶內(nèi)小于2，陣列天線的軸比在2.95GHz-3.02GHz頻帶內(nèi)小于3dB,天線增益大于12dB,與仿真結(jié)果基本吻合，但天線電壓駐波比和軸比頻率發(fā)生微小偏移，這是由于天線的實(shí)際介電常數(shù)與標(biāo)稱(chēng)介電常數(shù)的差異以及印制板加工誤差造成的。

圖11 天線樣機(jī)駐波比測(cè)試結(jié)果

圖12 天線左旋圓極化方向圖測(cè)試結(jié)果 圖13 天線右旋圓線極化方向圖測(cè)試結(jié)果

圖14 天線樣機(jī)軸比測(cè)試結(jié)果 圖15 天線樣機(jī)增益測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

提出了一種雙圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)方法，陣列單元為6個(gè)采用切角微擾元法的雙圓極化天線單元，陣列合成饋電網(wǎng)絡(luò)采用串-并聯(lián)混合饋電的方式，通過(guò)陣列天線布局，使陣列天線布局簡(jiǎn)潔、美觀，實(shí)現(xiàn)天線陣列小型化，滿足天線工作要求。通過(guò)理論分析確定基本參數(shù)，通過(guò)仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果加工了天線樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明此天線工作帶寬>10%、軸比帶寬>3%的，具有良好雙圓極化特性。