新型寬頻帶圓極化天線*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

由于傳統微帶天線的帶寬僅為5%左右，工作帶寬較窄，頻帶不夠寬。普通的微帶天線功率容量低，覆蓋區域不夠廣，無法多個系統共用一個天線。線極化微帶天線在接收圓極化信號時，引起接收電平損失，如果嵌入平臺內部，電性能指標將受周圍金屬腔的影響而惡化。國內在可嵌入式天線技術上剛剛起步，僅處于仿真研究階段。目前，國內設計的圓極化天線雖然能夠滿足寬角覆蓋的需求，但由于天線高度較高(工作頻率的1/5波長)，圍繞天線四周的金屬腔體會使電性能指標惡化，電流過大時，局部易被擊穿，且不能作為嵌入式天線使用。傳統的十字陣振子天線尺寸較大(工作頻率的1/2波長)，嵌入平臺時需要較大空間，與未來電子設備小型化的趨勢不相符[1]。

目前，既能滿足寬角覆蓋且電尺寸較小的天線國內尚無進展性研究，因此需要研究對載體氣動性能影響較小(可嵌入式)且增益方向性圖特性(寬角覆蓋)滿足系統鏈路電平需要的天線。

2 設計思想

在此選擇圓極化微帶貼片天線作為設計基礎，通過引入高介電常數的印制板、空氣介質層、頻率選擇表面(FSS)技術來實現小型化、寬頻帶、寬角覆蓋的需求；引入平衡電流電纜來提高波束的對稱性；將天線輻射面放置在整個天線的最上端來滿足可嵌入式的需求。天線結構如圖1所示。

圖1 天線結構示意圖

2.1 小型化、寬頻帶設計

(1)采用高介電常數的基片以減小天線尺寸

微帶單元的長度L由下式確定：

(1)

式中，λ0為自由空間波長，εr為敷銅板基片的有效介電常數。可以看出當基片的εr升高時，單元的長度L會縮小，故在此使用εr>10的基片以縮小天線尺寸。

(2)在基片與地板之間引入空氣層以展寬頻帶

微帶天線中，對小于2的電壓駐波比(VSWR)帶寬，可以用下式近似表示：

(2)

式中，f為頻率(GHz)；h為介質基片厚度(mm)；Bw為帶寬(MHz)。根據上式，采用空氣微帶的方式，將印制板與上底板保持一定的空間距離，相當于增加了h，故可以展寬頻帶[2]。

(3)采用FSS結構以進一步縮小尺寸

頻率選擇表面(FSS)是一種反射和/或傳輸特性表現為頻率的不同函數的表面。在金屬表面引入縫隙(見圖2)后，起到了頻率選擇的作用，電路模型等效為中心電抗加載(見圖3)[3]，加載扮演著降低諧振頻率fr、縮小單元物理尺寸的重要角色[4]。

圖2 縫隙單元

圖3 等效電路

縫隙也起到了帶通濾波器的作用，其頻率響應見圖4[5]，可通行等于縫隙諧振頻率的波，但拒絕較高和較低頻率的波。要實現正交極化或圓極化的頻率選擇特性，可以在印制板表面的銅箔上開出交叉縫隙(見圖5)[6]。

圖4 頻率響應

圖5 交叉縫隙

2.2 寬角覆蓋設計

(1)采用高介電常數和FSS技術減小天線尺寸后使天線具有寬波束特性

微帶天線主瓣的半功率角寬度可近似由下式計算：

(3)

(2)采用平衡電流電纜使波束對稱性更好的同時提高天線口徑效率

引入平衡電流電纜后，印制板上的電流分布更均勻，即在物理口徑邊緣也能維持均勻場，從而保證天線在上半空間120°范圍內波束對稱。引入平衡電流電纜后，印制板上的電場分布更均勻，相當于增大了天線的有效口徑Ae，從而提高了天線的口徑效率εap，有更好的寬角覆蓋效果。天線口徑效率εap的定義由下式給出[8]：

(4)

式中，Ap為物理口徑。

2.3 可嵌入式設計

將天線輻射面放置在整個天線的最上端，是為了滿足可嵌入的使用需求。將作為天線輻射面的敷銅箔基片放置在整個天線的最上端，和周圍的金屬腔體一體化設計考慮，此時金屬腔體位于天線輻射面的下方，故天線電性能不會受影響。

3 測試結果

在上述理論基礎上，設計了一副工作可嵌入式安裝在平臺內的新型天線。

由測出的天線駐波曲線圖可知，天線在14%的相對帶寬內，VSWR≤1.5，其帶寬優于傳統的微帶天線(3%)。圖6～9給出了各類實測數據(F1～F4為頻段內選取的4個頻點)。

由圖6可知，天線工作在F1頻點時，圓極化增益在120°范圍內大于-1 dB，且波束對稱性良好。

圖6 F1頻點時天線俯仰面增益方向圖

由圖7可知，天線工作在F2頻點時，圓極化增益在120°范圍內大于-1 dB，且波束對稱性良好。

圖7 F2頻點時天線俯仰面增益方向圖

由圖8可知，天線工作在F3頻點時，圓極化增益在120°范圍內大于-1 dB，且波束對稱性良好。

圖8 F3頻點時天線俯仰面增益方向圖

由圖9可知，天線工作在F4頻點時，圓極化增益在120°范圍內大于-1 dB，且波束對稱性良好。

圖9 F4頻點時天線俯仰面增益方向圖

通過對以上實測結果的觀察，發現該天線在整個頻段(相對帶寬14%)內，VSWR≤1.5，圓極化增益在120°范圍內大于-1 dB，波束對稱性良好。天線實物如圖10所示。

圖10 天線實物照片

4 結 論

本文設計的天線尺寸為0.38λ(長)×0.38λ(寬)×0.09λ(高)，圓極化增益在120°范圍內大于-1 dB。下一步的工作是將該天線技術朝著進一步小型化的方向發展，同時拓寬寬角覆蓋的效果，為未來小型化和移動載體天線設計提供技術基礎。

參考文獻：

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