一種新型的寬波束圓極化微帶天線*

趙紅梅，牛艷娟，王云飛

（1.鄭州輕工業(yè)學院 鄭州450002；2.聯(lián)通系統(tǒng)集成有限公司河南分公司 鄭州450002）

1 引言

隨著衛(wèi)星導航、定位及通信系統(tǒng)的發(fā)展，對天線的覆蓋范圍提出了越來越高的要求，為了快速捕捉到微弱的衛(wèi)星信號，一般要求天線具有很寬的波瓣寬度并能保持一定的低仰角增益。對于星載天線，在某些應用中要求天線單元的波束覆蓋達到120°，甚至更高，特別是我國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由于衛(wèi)星較少，這個特性就顯得尤為重要。

微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕、便于獲得圓極化且易制成與衛(wèi)星等載體表面相共形的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，在許多實際應用中經(jīng)常被采用。因此，開展寬波束圓極化微帶天線的研究具有較大的理論和應用價值。

許多文獻記載過多種展寬微帶天線波束的方法，如采用高介電常數(shù)介質(zhì)、調(diào)整接地板尺寸大小、微帶高次模天線[1]、微帶介質(zhì)天線[2]、采用好的天線形式、三維接地結(jié)構(gòu)[3，4]等。其中，對三維接地板結(jié)構(gòu)展寬波束的方法研究較少，這種方法是將常規(guī)的微帶天線放置在三維接地板結(jié)構(gòu)上，可以通過接地板的反射作用，在減小天線前后比的同時，很好地展寬波束。如參考文獻[3]，將普通的圓極化正方形切角微帶天線安裝在角錐喇叭結(jié)構(gòu)上，同時微帶天線上方四周的一部分被折疊的反射板圍住，雖然波束可達到約 130°，但是它的結(jié)構(gòu)復雜、增益較低，這時的增益只有－0.6 dB。在參考文獻[4]中，將常規(guī)的圓極化微帶天線放置在三維接地板結(jié)構(gòu)上，它的波束寬度可達到113°左右，但該天線高度大于0.45 λ，并且由于接地板結(jié)構(gòu)很復雜，不易實現(xiàn)。在此，本文提出了一種應用三維接地板展寬波束的圓極化微帶天線，它結(jié)構(gòu)簡單，波束寬度可達到120°以上，而且在波束范圍內(nèi)具有很好的圓極化特性。

2 天線結(jié)構(gòu)特性分析

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，該設計采用接地板開槽的微帶天線（如圖 1（a）所示），安置于角錐喇叭結(jié)構(gòu)上（如圖 1（b）所示），同時，采用50 Ω同軸饋電。

如圖1（a）所示，上方為接地板開槽的微帶天線[5]。正方形貼片置于厚度為1.6 mm、介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基片上，介質(zhì)基片大小為75 mm×75 mm，接地板大小為60 mm×60 mm。天線貼片的初始尺寸可利用腔模理論[6，7]的經(jīng)驗公式來初步確定，如下：

其中，c為光速，即 3×108m/s，f0為諧振頻率，εe為介質(zhì)基片等效介電常數(shù)，Δl為邊緣效應引起的延伸長度。

根據(jù)上述公式，由選定的諧振頻率、介質(zhì)基片的厚度和介電常數(shù)，可以得到貼片的初始尺寸，然后可由三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行參數(shù)掃描、優(yōu)化對天線尺寸進一步調(diào)整，以得到準確的結(jié)果。

2.1 圓極化特性

實現(xiàn)微帶天線的圓極化主要有單點饋電和多點饋電兩種方式。相比多點饋電方式，單饋點圓極化微帶天線由于其無需外加相移網(wǎng)絡和功率分配器、結(jié)構(gòu)緊湊、適合小型化，因此得到了廣泛關注。

該天線采用單饋法和幾何擾動來實現(xiàn)圓極化，即在接地板上引入微擾Δs來實現(xiàn)圓極化輻射所需要的條件，即：

其中，Δs也被稱為簡并模分離元，其影響可以用變分法來分析。該天線在接地板上沿x軸、y軸正交方向分別開出不等長的兩對矩形槽，并沿貼片對角線饋電，即在貼片下的空腔區(qū)域形成一對輻射正交的模，當兩者輻射長之比為±j時，滿足圓極化工作條件，形成圓極化輻射[8]；同時，調(diào)整饋電點的位置以滿足右旋圓極化要求，通過計算機和軟件優(yōu)化，可以在微帶貼片對角線上找到合適的饋電點（－9，9），可以很方便地調(diào)整天線的輸入阻抗，使之與 50 Ω同軸線實現(xiàn)阻抗匹配，進而獲得右旋圓極化。

同時，接地板上開槽可以引導貼片中的電流發(fā)生彎曲，從而增大電流路徑的有效長度，降低天線的諧振頻率，進而達到小型化的目的[9]。隨著開槽長度的增加，天線的諧振頻率減低，天線尺寸減小，但是，天線尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，因此開槽的長度需要在小型化與性能之間折衷考慮。

2.2 方向圖特性

角錐喇叭結(jié)構(gòu)上下口徑均為正方形，下口徑邊長為150 mm，上口徑邊長為 70 mm，高為 35 mm（約 0.18 λ），角錐喇叭的厚度為0.1 mm。由于角錐喇叭結(jié)構(gòu)的反射作用，可以減小微帶天線的前后比，展寬天線波束寬度。角錐喇叭的高度對天線的方向圖有較大的影響，角錐喇叭高度為5、15、25、35 mm時反射系數(shù)、波束寬度及增益的變化情況見表1、圖2?？梢钥吹?，隨著高度的增大，反射系數(shù)逐漸減小，波束寬度明顯展寬，這對接收低仰角衛(wèi)星信號等應用很有意義；同時，由于波束的展寬，增益隨高度增加而減小。由此可見，天線要形成寬波束，角錐喇叭高度取值也要在寬波束與天線性能之間折衷考慮。同樣，角錐喇叭下口徑大小（即喇叭口張角）也影響到天線波束寬度的大小，隨張角增大，波束寬度也有一定的展寬。

表1 角錐喇叭的高度對天線參數(shù)的影響

此外，為了便于天線整體的拼裝，適當?shù)卣{(diào)整了介質(zhì)基片的大小，從70 mm調(diào)整為75 mm，這樣可以更好地用膠槍在外側(cè)交接處對天線的上下部分進行粘接，使整體更穩(wěn)定。此時，由于介質(zhì)基片的展寬，增益下降了0.2 dB，波束寬度展寬了2°，其他指標均無明顯變化。

3 仿真及測試結(jié)果數(shù)值分析

3.1 仿真結(jié)果數(shù)值分析

該天線使用以有限元法為基礎的三維電磁仿真軟件ansoft HFSS進行仿真，通過仿真分析及優(yōu)化，設計了工作于1.575 GHz的右旋圓極化寬波束微帶天線。

天線在要求頻率處的駐波比VSWR≤1.10（即S11＜－26 dB），如圖3所示。在主輻射方向上，天線軸比為0.43 dB（小于 3 dB），覆蓋空域達 140°，如圖 4（a）所示；同時，天線的軸比帶寬如圖4（b）所示，且軸比小于等于3 dB的圓極化帶寬達17 MHz。天線E面、H面的方向圖如圖5所示，該天線增益可達0.43 dB，E面和H面的3 dB波束寬度分別為 123°（－63°～60°）和 136°（－70°～66°），在整個波瓣范圍內(nèi)，增益變化不大，而且在波束范圍內(nèi)都有很好的圓極化特性（軸比小于3 dB）。該天線E面和H面波束寬度比接地板開槽的微帶天線（無角錐喇叭結(jié)構(gòu)）分別展寬28°（29.5%）和 41°（43.2%），天線的前后比變得很小，軸比帶寬寬出3 dB，但是由于波束寬度的展寬，使得增益有所下降，見表2。

3.2 測試結(jié)果

使用德國RS矢量網(wǎng)絡分析儀對該天線的駐波比、回波損耗及阻抗進行測試。駐波比實測結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖6所示，實測結(jié)果基本滿足性能指標要求，也驗證了該天線的可行性。實測VSWR整體比仿真結(jié)果高0.18～0.3，主要受由 SMA接頭引起的插入損耗及角錐喇叭的加工精度影響。該天線實物如圖7所示。

表2 波束展寬前后天線參數(shù)性能比較

4 結(jié)束語

本文提出了一種以簡單方式展寬微帶天線波束的新方法，仿真和測試結(jié)果表明，該天線的波束寬度、軸比帶寬都能滿足寬波束圓極化GPS天線的性能要求，該天線具有合理性和可行性。此外，與其他三維接地板結(jié)構(gòu)天線相比，該天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點。文中所提出的展寬波束的方法還可推廣應用于其他頻段天線的寬波束設計中。

1 Wuang T K，Huang J.Low-cost antennas for direct broadcast satellite radio.Microwave and OpticalTechnology Letters，1994，7（10）

2 何海丹.新型寬波束圓極化天線——微帶介質(zhì)天線.電訊技術，2003，（1）：48～51

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6 郭永新，方大綱，是湘全.一種用于電子戰(zhàn)誘餌的寬帶寬角迭層微帶天線.南京理工大學學報，1998，22（1）：39～42

7 Jun Ouyang，F(xiàn)eng Yang，Shiwen Yang，et al.A novel e-shape radiation pattern reconfigurable microstrip antenna for broadband，wide-beam，high-gain applications.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（8）

8 Chiou T W，Wong K L.Designs ofcompactmicrostrip antennas with a slotted gound plane. In:Antennas and Propagation Society International Symposium，2001

9 Huang J.The finite ground plane effect on the microstrip antenna radiation patterns.Antenna Propagat，1983，31（7）：649～653

10 鐘順時.微帶天線理論與應用.西安：西安電子科技大學出版社，1991