寬帶圓極化錐形輻射單元陣列天線的設計

楊彥炯 栗 曦 楊 林 王 伊 龔書喜

(西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

1. 引 言

寬帶圓極化天線在現代通訊系統，如衛星通訊、雷達與導航中廣泛應用。微帶天線因為其重量輕、低剖面、低成本、易成型和易于與集成電路技術兼容等特點而應用廣泛。傳統微帶天線的限制是可利用阻抗與軸比(AR)帶寬。為獲得更寬的帶寬，雙饋點拓撲結構由于結構簡單、令人滿意的性能等特點成為首選[1-2]。傳統貼片天線允許帶寬的典型值在單饋點且AR<3 dB時小于10%[3-4]。為提高陣列天線的軸比帶寬，設計了一種新型的寬帶圓極化陣列天線，饋電網絡包括90°寬帶電橋[5]和L型探針用來提供90°饋電相差。設計天線具有以下三個特點：1)饋電網絡結構適合寬帶圓極化天線陣列的設計；2)饋電網絡在介質基板底部，地板在介質基板的頂部。這種設計方法使得地板把輻射體與饋電網絡隔離開來以減小二者間的相互影響，且減小了陣列天線的總體尺寸；3)利用錐臺輻射單元取代傳統平面輻射貼片做為輻射單元能明顯提高軸比帶寬。

下文詳細給出了天線結構與設計準則；2×2單元結構的陣列天線實驗結果與討論；最后得出的天線設計結論。

2.天線結構與設計

圖1給出圓極化陣列天線的結構。天線包括三層：輻射體、空氣層和介質基板。輻射體在L型饋電探針上面，探針穿過基板與饋電網絡相連接。輻射體由高6 mm、直徑為5 mm、相對介電常數2.65的介質柱支撐。輻射體與L型饋電探針Z之間距離為0.6 mm.

圖1 天線結構示意圖

空氣層的引入提高了天線的工作帶寬。饋電網絡在介質基板下面，地板在介質基板上面，這種結構不僅降低了輻射體與饋電網絡的相互影響，還減小了天線的總體尺寸。

圖2 饋電網絡布局圖

圖3 錐臺輻射體結構尺寸(D1=54 mm,D2=52 mm,D3=48 mm, H=8 mm,h=1 mm)

圖4 饋電探針結構尺寸( L1=34.6 mm,L2=6 mm,d=1.2 mm)

3. 結果與討論

功分網絡及地板分別位于厚度1 mm，介電常數4.4的介質基板兩側，天線設計頻率為2.2 GHz。陣列輻射單元x軸方向排列距離為71 mm，y軸方向排列距離為120 mm.圖5為陣列天線和饋電網絡實物。天線的整體結構尺寸為230 mm×150 mm×16 mm.

用R&S ZVB20型矢量網絡分析儀來測試天線駐波，圖6中為仿真與實測駐波曲線比對。由測試結果可知，阻抗帶寬為40.1%(VSWR<2)，范圍從1.68～2.58 GHz.

在微波暗室內測試天線軸比、增益及x-z和y-z面的遠場方向圖。圖7為實測與仿真軸比，曲線吻合良好。且由圖可見設計天線的3 dB軸比帶寬為 42.7%，范圍從1.76～2.7 GHz，比傳統的貼片天線寬很多[6-10]。圖8為頻率1.8 GHz、2.2 GHz和2.6 GHz天線的增益測試曲線如圖9所示，設計天線增益在頻率2.4 GHz可達12.7 dB.

(a) 實際加工天線

(b) 實際加工饋電網絡圖5 實際加工天線和饋電網絡

圖6 仿真與實測駐波曲線

圖7 仿真與實測軸比曲線

(a) 1.8 GHz

(b) 2.2 GHz

(c) 2.6 GHz圖8 設計天線實測方向圖

圖9 天線實測增益曲線

4. 結 論

加工并測試了一個與寬帶90°電橋連接、L型探針饋電的寬帶錐臺輻射單元陣列天線。應用了文中提出的設計方法，天線有良好的寬帶性能，天線在VSWR<2的有效阻抗帶寬為50%，頻率范圍為1.68～2.58 GHz；AR<3 dB的有效軸比帶寬為42.7%，頻率范圍為1.76～2.7 GHz，其軸比帶寬比傳統貼片天線寬很多，文獻[6]-[9]中天線的3 dB軸比帶寬分別為20.8%、12%、20.4%和21%，而文獻[10]中四環天線3 dB軸比帶寬只有3.8%。設計天線的峰值增益可達12.7 dB.

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