一種小型化寬帶圓極化微帶天線的設計

秦文奕

(中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都610036)

0 引言

從結構上說，微帶天線實際上就是一塊印刷電路板，全部功率分配器、匹配網絡、輻射器都可以刻在介質板的一側，另一側為金屬地板。微帶天線由于其結構簡單，剖面低而被廣泛應用，但帶寬較窄，是其技術發展的一個瓶頸。目前軍用和民用多點通信系統對天線工作頻率范圍要求較大，太窄的帶寬導致很多微帶天線由于不能滿足寬頻帶工作要求而被棄用［1］。微帶天線的圓極化工作可以通過使用兩個獨立的饋源或是使用一分二功分器的單個饋源來激勵實現，前者的帶寬較窄，3 dB軸比帶寬為1%［2－3］。采用功分器雖然能顯著改善天線的工作帶寬，但是同時也增大了天線體積。文中采用同軸線背饋方式，利用U形地板，根據帶狀線的理論設計一分二威爾金森功分器［4－5］，實現了圓極化微帶天線的寬帶工作和結構小型化。

1 天線設計

為了展寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，天線一般采用雙饋點圓極化微帶結構［6－7］，饋電網絡采用一分二的威爾金森功分器。天線結構如圖1所示，其中圖1(a)、圖1(b)分別為頂視圖和側視圖。天線的輻射單元是邊長為36 mm的方形貼片，在貼片的A、B兩點等幅、相差90度饋電來實現圓極化輻射;接地板采用直徑約為80 mm、高度為12 mm的U形結構，同軸電纜的探針從U形地板底部對功分器進行饋電，功分器將饋源輸入的信號分成兩路等幅不同相的信號，通過穿過饋電網絡介質層的兩根金屬導體對上層貼片進行饋電，饋電點的XY面坐標為(x0，y0)。采用這種饋電結構大大地減小了附加功分器后天線的整體體積，同時可以獲得良好的寬帶特性和圓極化特性。

圖1 天線結構示意Fig．1 Structure of the antenna

在設計功分器時運用帶狀線理論［8］，饋電網絡采用非對稱帶狀線結構。如圖1所示，功分器的饋線可以看作帶狀線中間的導體帶，上下接地板之間的上半空間填充高介電常數材料，下半空間為空氣介質，選擇導體帶寬度及長度以保證功分器輸入、輸出端50 Ω的阻抗和兩個輸出端具有90度的相位差。在設計了天線及饋電網絡的各項基本參數后，借助成熟的商業仿真軟件Ansoft HFSS12對天線和饋電網絡進行了仿真分析，仿真模型如圖2所示。

圖2 天線仿真模型Fig．2 Simulation model of the antenna

從圖2中可以看出，仿真模型主要包括三層，下層為饋電網絡的空氣層，中間層為饋電網絡介質層，上層為采用高介電常數的貼片天線。在饋電網絡的輸入端設置了三根短路金屬柱體以減少饋電端能量的損失，從而獲得更好的駐波比帶寬。

2 仿真及實測結果分析

為了盡可能的減小天線體積，文中天線及饋電網絡均選用了εr=9．6的高介電常數介質基板，天線具體設計參數如表1所示。根據理論仿真結果，制作出了單點背饋的寬帶圓極化天線，天線實物如圖3所示。從圖3中可以看出該天線結構簡單，外形簡潔美觀。

表1 天線設計參數Table 1 Design parameters of the antenna

圖3 天線實物照片Fig．3 Photograph of the antenna

對根據表1所列參數設計加工的天線各項指標進行了實際測試，圖4為天線駐波曲線，圖5為天線圓極化軸比曲線，從圖中可以看出實測結果與仿真值吻合較好，天線在1．05～1．45 GHz帶寬范圍內駐波比小于2，在1．05～1．40 GHz頻率范圍內軸比小于3 dB。天線中心頻率方向圖如圖6所示，從圖6中可以看出天線方向圖具有良好的對稱性。

圖4 天線駐波曲線Fig．4 VSWR of the antenna

圖5 天線軸比曲線Fig．5 Axial ratio of the antenna

圖6 天線中心頻率軸比增益方向Fig．6 Gain pattern of the center frequency

3 結語

文中設計了一種寬頻圓極化微帶天線，天線采用同軸饋電，利用U形接地板，根據帶狀線理論設計饋電網絡，實現了結構的小型化。天線VSWR≤2的帶寬達到了30%，3 dB軸比達26%，最大增益約為4 dB，且方向圖對稱。實測值與仿真值具有較好的一致性。該天線具有成本低，可靠性高，調試量小，適合批量生產等優點，可廣泛應用于通信、導航等系統。

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