圓極化微帶陣列天線的設計

張明民，鄢澤洪

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

天線系統作為無線通信系統中的一個關鍵的部分，其特性的好壞直接影響著整個通信系統的工作性能。無論是在軍事國防還是民用通信領域，對于天線單元及陣列的阻抗帶寬、方向圖、極化和增益特性都提出了更高的要求。在實際應用中，往往要求天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描或波束控制等特性，采用某種形式的陣列天線則較容易獲得這些特性，因此，陣列技術在實際中獲得了廣泛的應用[1]。

1 微帶天線的設計

本文設計的微帶陣列天線的主要指標是:工作頻率在 2.4～2.5 GHz；天線極化方式為圓極化；天線增益 ＞10 dBi；駐波 ＜1.5；方向圖 E面波瓣寬度和面波瓣寬度 ＞25°；尺寸約為 400mm×400 mm。

1.1 微帶天線單元

天線單元采用雙饋電點的正方形貼片的微帶結構實現圓極化特性。同時，通過介質層(相對介電常數2.65)的厚度，可以實現天線單元工作帶寬的展寬。利用 HFSS軟件，獲得天線單元的最終結構尺寸，其仿真模型，如圖 1所示。介質層高度為 4 mm，輻射貼片邊長 35.25mm，可根據正方形經典天線的設計公式 L=0.5λg-2Δl得到[2]。

圖1 天線單元仿真結構圖

1.2 天線單元饋電網絡設計

根據天線雙饋電點的特性設計天線的匹配網絡。圓極化方式采用雙饋電點，兩個饋電端口所輻射的TM01模和 TM10模，在貼片輻射方向形成來年各個正交分量，相差 π/2，選擇適當的激勵頻率，可以使兩個模式同時被激勵，從而得到一個圓極化輻射場，所以饋電網絡采用 Wilkinson功分器，移相器采用普通微帶傳輸線。利用微帶傳輸線移相的特性，使功分器終端得到兩個等幅，相位相差 π/2的電場[3]。

圖2 天線單元饋電模型

天線單元加饋電后行進了仿真得出了單元天線在工作帶寬內的端口反射系數和阻抗特性，分別得到如圖 3和圖 4的結果。圖 3可以看出加饋電后天線端口的反射系數在工作頻段內均 ＜-30 dB，對應駐波≤1.06。圖 4可以看出加饋電后天線在中心頻率上的輸入阻抗為 49.4-j0.35Ω。

1.3 陣列天線的設計和仿真結果

前面已經得到設計單元天線的特性，本文采用 4個單元天線組成陣列天線[4]，并在 HFSS中建模，如圖 5所示，并且對該天線的電特性進行仿真分析。

從圖6可以看出陣列天線的VSWR在工作頻段內均 ＜1.2。

如圖 7所示，陣列天線在 2.40 GHz的增益為13.8 dBi，xoz面半功率波束寬度為 35°，yoz面半功率波束寬度為 34°。如圖 8所示，陣列天線在 2.45 GHz的增益為 13.85 dBi，xoz面半功率波束寬度為 34°，yoz面半功率波束寬度為 34°。

如圖 9所示，陣列天線在 2.50 GHz的增益為13 dBi，xoz面半功率波束寬度為 34°，yoz面半功率波束寬度為 33°。

2 結束語

本文研究了圓極化微帶陣列天線的設計，仿真結果滿足:極化方式為圓極化方式，圓極化帶寬為2.4～2.5 GHz，波束寬度為 33°～35°，增益 ＞13 dBi，駐波 ＜1.3。具有一定的工程應用價值，同時還有一些問題需要更進一步的探討和研究。

[1]翟孟云，嚴育林.陣列天線理論引導[M].北京:國防工業出版社，1980.

[2]劉玉杰.小型化圓極化收發天線設計[J].遙測遙控，2004(5):53-56.

[3]David M Pazar.微波工程[M].3版.張肇儀，譯.北京:電子工業出版社，2006.

[4]商遠波，于曉樂，張富順，等.C波段高增益微帶天線陣列的研制[J].微波學報，2006，22(增刊):16-19.

[5]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，1991.