圓極化微帶天線技術

圓極化微帶天線技術

圓極化天線的原理和特點

能夠接收和輻射圓極化波的天線稱為圓極化天線。圓極化波可以分解為兩個在空間和時間相互正交的等幅線極化波。實現(xiàn)圓極化工作的原理為：產(chǎn)生兩個等幅且相位相差90°的線極化電場分量。

圓極化微帶天線在衛(wèi)星導航定位、遙感遙測以及雷達技術中得到廣泛應用，不僅因為微帶天線具有體積小、剖面低、便于加工等特點，更重要的是因為圓極化天線具有以下特點：

（1）圓極化天線能夠接收任意極化形式的電磁波，其輻射的圓極化波也能夠被任意極化的天線接收。這一特點使圓極化天線在電子偵查和干擾中廣泛應用；

（2）圓極化天線具有旋轉正交性，即天線輻射電磁波與接收電磁波的旋向是一致的，這一性質(zhì)可應用于電子對抗和雷達的極化分集中；

（3）當圓極化波入射到對稱目標（如平面、球面等）時，其反射波旋向反轉。這一性質(zhì)使圓極化天線具有抑制雨霧干擾的能力，并能夠增加通信容量。

圓極化微帶天線實現(xiàn)方法

微帶天線的結構相對簡單，貼片結構的靈活性比較大，在實現(xiàn)圓極化方面具有很多方法，常用方法有：單點饋電實現(xiàn)圓極化、多點饋電實現(xiàn)圓極化和多元法實現(xiàn)圓極化。

單饋實現(xiàn)圓極化

微帶天線采用單點饋電實現(xiàn)圓極化，其結構簡單，便于加工，與多點饋電相比，簡化了饋電電路，減小了能量的損耗。在實際應用中具有很重要的意義。目前已有大量文獻對單點饋電實現(xiàn)圓極化進行了研究。下面以矩形貼片為例，介紹微帶天線采用單點饋電實現(xiàn)圓極化的原理。

設矩形貼片的尺寸為a× b 。那么TM01和TM10模在沿著z軸方向的輻射場就會形成正交的分量，將這兩個模選為主模。其輻射的電場為：

在上式中：

上式中假設饋電探針的等效寬度為d0≤a 。

對于z軸方向，θ=φ=0，可得：

可見，TM01模和TM10模在邊射方向上的電場矢量是相互正交的。兩個正交極化的電場Ey和Ex，其比值為：

為了使波能夠在邊射方向圓極化輻射，那么就要求兩個正交極化的簡并模同時激勵起來。并要求：

將矩形貼片近似取于方形，即0＜（a-b）≤b 。此時有：

選擇合適的頻率，使得

則TM01模和TM10模的場都能得到比較強的激勵。此時式（6）就可以近似成下面的式子：

式中：

因此，如果要輻射圓極化波，激勵的條件就化為：

這就要求k-k10比k-k01超前或者滯后π/2，而且應有：

通常情況，單點饋電實現(xiàn)圓極化的微帶貼片天線會引入微擾Δs 來產(chǎn)生圓極化。Δs 也稱為簡并分離元，它可以是正的（Δs＞0），也可以是負的（Δs＜0）。選擇合適大小的簡并分離元Δs，輻射貼片的兩個主模就能形成90°的相位差。常見單點饋電的形式如圖1所示。

多點饋電法實現(xiàn)圓極化

多點饋電實現(xiàn)圓極化的方法是利用多個饋電點對天線的輻射貼片進行饋電。一般多點饋電實現(xiàn)圓極化都需要額外的饋電電路。饋電電路的作用就是產(chǎn)生一對幅度相等，相位差為90°的信號，作用在天線的輻射貼片上，產(chǎn)生一對正交的簡并模。

在雙點饋電中，T型接頭是最簡單的形式。饋電的兩個支路之間在長度上相差四分之一個波長，以產(chǎn)生90°的相位差，而兩路信號的幅度相等，以此使天線輻射圓極化波。其結構如圖2（a）所示，激勵起的兩個模式分別為TM01模和TM10模，兩個支路的輸入阻抗分別記為Ra和Rb，并且有Ra=Rb。那么各段微帶線的特性阻抗?jié)M足下面的關系：

兩點饋電實現(xiàn)圓極化，還可以用威爾金森功分器或者3dB定向耦合器來進行饋電。其中3dB定向耦合器饋電的結構如圖2（b）所示。3dB定向耦合器的兩個輸出端的信號幅度相等，相位相差90°，不需要額外的電路。

圖1　常用單點饋電微帶貼片形式

圖2　雙饋圓極化微帶天線典型結構

圖3　多元實現(xiàn)圓極化微帶天線

多元實現(xiàn)圓極化

使用多個輻射源的方法來實現(xiàn)圓極化的方法也是比較常用和比較容易實現(xiàn)的。這種方法和多點饋電來實現(xiàn)圓極化的原理類似。每一個單元都進行單獨饋電。圖3（a）為只有兩個單元的情況，圖3（b）是有四個單元的情況。

以上所介紹的這三種實現(xiàn)圓極化的方法是在天線設計中常用的方法，當然在實際應用中，還有其他實現(xiàn)圓極化的方法，每種方法各有其自身的優(yōu)點和缺點。單點饋電的結構簡單，但是天線的帶寬相對較窄；多點饋電能夠滿足較寬的帶寬，但是饋電電路比較復雜，并且損耗較大。這要根據(jù)實際的需要進行設計。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.018