單饋點(diǎn)寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)﹡

秦文奕

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

微帶天線是天線家族中不可或缺的重要成員，由于其具有剖面低、重量輕，可共形，易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。特別是圓極化微帶天線，由于具有較強(qiáng)的抗干擾能力，被廣泛地應(yīng)用于通信和電子對(duì)抗、電子偵察和干擾等領(lǐng)域[1-2]。圓極化微帶天線的饋電方式主要有:單點(diǎn)饋電[3-5]、雙點(diǎn)饋電[6-7]或四點(diǎn)饋電[8]。其中，單饋點(diǎn)圓極化微帶天線的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要功分器和移相器等正交饋電網(wǎng)絡(luò)，缺點(diǎn)是軸比帶寬比較窄。采用雙點(diǎn)饋電或四點(diǎn)饋電，雖然可以展寬圓極化軸比帶寬，但又產(chǎn)生了饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]利用層疊結(jié)構(gòu)獲得了較寬的圓極化軸比帶寬，但其饋電方式采用的是耦合饋電，介質(zhì)層較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用。

文中主要分析和設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工實(shí)現(xiàn)的單點(diǎn)饋電圓極化微帶天線，這種天線采用同軸探針背饋方式，通過(guò)雙層輻射貼片耦合來(lái)提高天線的帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了多點(diǎn)饋電方式或縫隙耦合饋電方式中復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，在工作于L波段時(shí)，阻抗帶寬達(dá)到 10%（VSWR＜2），軸比小于6 dB的帶寬也達(dá)到10%。

1 天線設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際的使用需求，天線要滿足如下指標(biāo)：

1)天線類型：微帶天線。

2)下行頻段：1 525～1 559 MHz。

3)上行頻段：1 626.5～1 660.5 MHz。

4)極化方式：左旋圓極化。

5)軸比：≤6 dB。

6)波束寬度：≥80°（俯仰）。

7)天線增益：>6 dB。

雙頻圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)思路有兩個(gè)：一是使微帶天線工作在離散的兩個(gè)頻段；二是擴(kuò)展微帶天線的帶寬,使其能夠覆蓋兩個(gè)需要的工作頻段。第一種思路在頻率間隔（即雙頻比）較大時(shí)行之有效，但在兩個(gè)頻段間隔較小時(shí)卻不可行。在具體的工程應(yīng)用中，由于系統(tǒng)上、下行工作頻段接近，因此只能采取第二種方式，即展寬天線帶寬，將上、下行頻段都包含在內(nèi)。由于安裝位置及高度的限制，文中設(shè)計(jì)的微帶天線必須采用單點(diǎn)背饋的方式，單饋點(diǎn)微帶天線多采用縫隙耦合、鄰近耦合、共面波導(dǎo)等饋電方法展寬帶寬。基片多采用較厚的泡沫材料或空氣以降低其 Q值，厚度可以做到 0.054λ，但考慮到實(shí)際使用需求對(duì)天線厚度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的限制，基片不能采用泡沫材料或空氣。為了盡可能的展寬天線頻率寬度，降低微帶天線的品質(zhì)因素Q值，兩層介質(zhì)基板均選擇ARLON公司介電常數(shù)為2.5、厚度約為4.75 mm的介質(zhì)基片。

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由兩個(gè)圓極化微帶天線單元組成，下層單元為激勵(lì)單元，上層單元為寄生單元。選擇矩形貼片為輻射元，采用探針直接對(duì)下層單元饋電，通過(guò)調(diào)整上下兩個(gè)矩形貼片的尺寸，饋電點(diǎn)距離貼片中心的位置可以獲得較好的寬帶匹配特性。在此基礎(chǔ)上，再調(diào)矩形貼片長(zhǎng)短邊尺寸比可以明顯改善圓極化特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意

2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出下層輻射單元的尺寸，采用基于有限元法的商用軟件 HFSS12對(duì)上下層矩形貼片的尺寸及饋電點(diǎn)位置進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整上、下層貼片的尺寸及饋電點(diǎn)位置可使天線達(dá)到足夠?qū)挼膸挕?yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為：介質(zhì)基板尺寸G=80 mm，厚度H1=H2=4.75 mm；下層輻射貼片尺寸L1=56 mm，W1=51 mm；上層輻射貼片尺寸L2=52 mm，W2=48 mm；饋電點(diǎn)距離中心的距離Fx=14 mm，F(xiàn)y=9 mm。天線的S參數(shù)，輻射特性及頻帶內(nèi)增益曲線如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2 天線回波損耗仿真結(jié)果

圖 3 天線方向

圖 4 天線增益隨頻率變化曲線

圖 5 天線軸比隨頻率變化曲線

天線的回波損耗曲線如圖2所示。仿真結(jié)果表明，天線在1.50～1.67 GHz的范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB。圖3給出了天線分別工作于上行頻率1 525 MHz和下行頻率1 660 MHz時(shí)的輻射方向圖。從圖中可以看出，天線工作在上邊頻及下邊頻時(shí)，其方向圖最大增益均大于6 dB，3 dB波瓣寬度均大于90°，完全達(dá)到指標(biāo)要求，并留有一定設(shè)計(jì)余量。圖4和圖5分別給出了整個(gè)寬頻帶內(nèi)天線增益及軸比隨頻率變化曲線，結(jié)果顯示天線的增益帶寬及軸比帶寬均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

文中從通信天線實(shí)際使用需求出發(fā)，采用單點(diǎn)饋電層疊結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)矩形輻射貼片長(zhǎng)短邊比及饋電點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化特性。天線工作在L波段，同時(shí)覆蓋通信上、下行頻段（1 525～1 660 MHz），輻射左旋圓極化波。為盡量展寬天線帶寬，使用的介質(zhì)基板較厚，受表面波和高次模的影響，天線的阻抗帶寬和軸比帶寬不完全吻合，但性能指標(biāo)已滿足設(shè)計(jì)要求。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，加工方便，可廣泛的應(yīng)用于通信及其他領(lǐng)域。

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