新型L頻段雙圓極化微帶陣列天線的設計*

李 文，姚宜東，徐 毅，袁偉濤，楊新華，王啟申

（北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

新型L頻段雙圓極化微帶陣列天線的設計*

李 文，姚宜東，徐 毅，袁偉濤，楊新華，王啟申

（北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

圓極化陣列天線由于其自身的性能特點，在現代無線應用中越來越受到廣泛的關注。因此，提出一種寬軸比的L頻段圓極化貼片天線。該天線采用特殊的雙層饋電網絡，分別為輻射貼片相鄰的兩個側邊提供0°和90°饋電。兩層饋電網絡結構尺寸完全相同，通過電橋連接兩層饋電網絡，以嚴格保證輻射貼片相鄰兩邊的饋電幅度以及90°相位差，提高天線圓極化性能。設計結果顯示，該天線工作在1.525～1.559 GHz，天線極化方式為左右旋雙圓極化，天線增益＞13 dBi，駐波＜1.5，方向圖E面波瓣寬度和H面波瓣寬度＞25°。

圓極化；微帶陣列天線；軸比；帶寬

0　引 言

天線作為無線通信系統中的一個關鍵組成部分，其性能的好壞直接影響著整個通信系統的工作性能。無論是在民用通信還是軍事國防領域，無線通信系統對天線單元及陣列的增益、方向圖、阻抗帶寬和極化特性都提出了更高的要求。在實際應用中，采用陣列技術往往能夠使天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描或波束控制等特性，因此獲得了廣泛的應用。

1　微帶天線的設計

本文設計的微帶陣列天線的主要指標：工作頻率在1.525～1.559 GHz；方向圖E面波瓣寬度和H面波瓣寬度＞25°；天線極化方式為左右旋雙圓極化；駐波＜1．5；天線增益＞13 dBi；尺寸約為400 mm×260 mm。圖1為天線整體仿真模型示意圖。

圖1　天線整體仿真模型

1.1微帶天線單元

天線單元采用方形微帶貼片天線形式，饋電方式為邊緣中心點側饋，采用正交的雙饋線實現雙線極化合成圓極化。

本文選取的介質基片為低密度聚乙烯（LDPE）發泡，其低介電常數εr=1.08，將獲得較低的損耗，并且具有重量輕的優點[1]。隨著介質基片的厚度增大，Q值降低，頻帶變寬，但同時也破壞了天線的低剖面特性，增加了天線的重量。綜合考慮，最后選取基片厚度h=1.6 mm。由介質基片參數，根據式（1）、式（2）和式（3），計算求得輻射貼片的初始尺寸L，使得諧振頻率為1.542 GHz。

結合利用HFSS軟件，獲得天線單元的最終結構尺寸，求得輻射貼片邊長81 mm，由于所設計的天線要實現寬帶圓極化，在天線相鄰兩邊引出饋線段，長度為1/4介質波長（d1+d2），使得天線單元的輸入阻抗為100 Ω[2]。它的結構模型如圖2所示。

圖2　天線單元結構

1.2天線陣設計

設計指標要求天線增益大于13 dBi。根據仿真結果，單個微帶貼片單元的增益約6～7 dBi，6個單元的陣列增益為13.7～14.7 dBi，既能滿足13 dBi的指標要求，又能為饋電網絡損耗提供一定余量。因此，本文采用6個輻射單元天線組成3×2天線陣，以提高天線增益。為獲得較高增益同時抑制副瓣電平，經優化發現最佳單元間距為0.9倍介質波長。結合天線整體尺寸的限制，最終選定橫向單元間距x為125 mm，縱向單元間距y為120 mm，如圖3所示。

圖3　天線陣列結構

饋電網絡是線陣設計的重中之重，其產生的寄生輻射會嚴重影響天線陣的方向性，因此需要考慮饋電網絡的優化設計。傳統的共面饋電天線陣，其饋電網絡的寄生輻射使得天線交叉極化變大，嚴重惡化了天線的軸比[3]。本文的天線采用特殊的雙層饋電網絡，分別為輻射貼片相鄰的兩個側邊提供0°和90°饋電。兩層饋電網絡結構尺寸完全相同，如圖4所示。通過電橋連接兩層饋電網絡，可以嚴格保證輻射貼片相鄰兩邊的饋電幅度以及90°相位差。饋電網絡與天線的不共面設計，大大減弱了饋電網絡與天線單元之間的耦合，同時饋電網絡與天線的一體化連接，減少了不連續性產生的反射，且加工簡單[4]。該饋電網絡結構能夠明顯改善回波損耗和增大3 dB軸比帶寬。饋電網絡的核心部分采用λ/4波長阻抗變換器來實現阻抗匹配。為滿足各端口等功率分配和依次90°相差，最終設計的各段阻抗值滿足：

式中，Z0=100Ω，為單元天線輸入阻抗；Zin=50Ω，為天線饋電輸入端口阻抗。

圖4　單層天線饋電結構

兩層饋電網絡由3 dB分支電橋連接，基本結構如圖5所示。各分支長度為中心頻率波長的1/4，各分支電橋的各個端口接匹配負載，主路特性導納為支路特性導納的2倍。本設計中，信號從1端口饋入；4端口沒有輸出，為隔離端；3端口比2端口的輸出相位滯后90°；且1端口輸入的功率被平均分配至2端口和3端口。

圖5　3 dB電橋結構

1.3陣列天線的設計和仿真結果

通過三維電磁仿真軟件HFSS對本文設計的天線進行建模、仿真和優化，討論雙圓極化天線的右旋仿真結果。

從圖6可以看出，陣列天線的回波損耗在工作頻段內均小于-10 dB。

圖6　天線的回波損耗仿真曲線

圖7為天線右旋圓極化軸比隨頻率變化曲線?？梢钥闯?，在頻段1.525～1.559 GHz范圍內，軸比小于2。

圖7　天線軸比仿真曲線

如圖8所示，陣列天線在f=1.525 GHz時的增益為14.5 dBi，方位面半功率波束寬度為28°，俯仰面半功率波束寬度為41.5°。

圖8　陣列天線在f=1.525 GHz的情況

如圖9所示，陣列天線在f=1.542 GHz的增益為14.6 dBi，方位面半功率波束寬度為27.5°，俯仰面半功率波束寬度為40.5°。

圖9　陣列天線在f=1.542 GHz的情況

如圖10所示，陣列天線在f=1.559 GHz的增益為14.6 dBi，方位面半功率波束寬度為27°，俯仰面半功率波束寬度為40°。

圖10　陣列天線在f=1.559 GHz的情況

1.4天線的加工與測試

最后，對天線進行實際的加工和測試，以驗證該設計方案的有效性。為了獲得較寬的帶寬和最佳的廣角軸比，天線部分采用低密度聚乙烯（LDPE）發泡支撐，介電常數為1.08，大小為400 mm×260 mm[5]。天線輻射單元貼片采用0.2 mm厚銅片，尺寸按照上述設計的參數要求，上下層對齊準確地粘貼在泡沫基板上。為了降低加工的復雜性、避免饋電點的不連續性并增大阻抗帶寬，采用焊接銅柱直接饋電[6]。天線上層輻射貼片通過底層饋電相移功分網絡伸出的銅柱進行激勵。功分網絡采用微帶線結構，介質部分采用羅杰斯5880介質板，介電常數3.9，厚度1.575 mm[7]。天線輸入端口采用SMA接頭，最終的天線加工實物如圖11所示。

圖11　天線加工實物

2　結 語

本文介紹了一種多層正交饋電的圓極化微帶天線的設計方法，在優化天線陣列間距的基礎上，采用特殊的雙層饋電，兩層饋電結構完全相同，以減少饋電網絡與天線單元之間的耦合，使得天線的3 dB軸比帶寬滿足設計要求。實測結果表明，天線在海事衛星通信頻段內，回波損耗小于-10 dB，增益大于14.5 dB?？梢?，設計的天線具有良好的圓極化特性，并且結構簡單、重量輕、體積小、便于制造，應用前景廣闊。

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[6] 管耀武,吳其山,黃世勇.常用短波鞭天線性能優化工程技術研究[J].通信技術,2014,47(08):973-976. GUAN Yao-wu,WU Qi-shan,HUANG Shi-yong.A Method to Improve the Performance of HF Whip Antenna[J]. Communications Technology,2014,47(08):973-976.

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李 文（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向為天線研究與設計、數字電路設計等；

姚宜東(1984—)，男，博士，工程師，主要研究方向為天線研究與設計；

徐 毅（1979—），男，本科，高級工程師，主要研究方向為衛星移動通信技術及應用；

袁偉濤（1981—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為控制科學與工程；

楊新華（1985—），女，碩士，工程師，主要研究方向為天線研究與設計；

王啟申（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向為機械結構與設計。

Design of Novel L-Band Double Circularly-Polarized Microstrip Array Antenna

LI Wen,YAO Yi-dong,XU Yi,YUAN Wei-tao,YANG Xin-hua,WANG Qi-shen
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100094, China）

Circularly-polarized array antennas attract more and more attentions in the modern wireless applications because of its specific performance characteristics. A L-band circularly-polarized microstrip patch antenna working in wide axial ratio bandwidth is proposed. The antenna adopts the special double feed network, thus to provide 0 degree feed and 90 degree feed to the two adjacent sides of radiation patch respectively. Two layers of feed network are same in structural size, and connected through the bridge to ensure that the two adjacent sides of radiation patch have 90 degrees phase difference, thus improving circular polarization performance of the antenna. The simulation results show that the microstrip array antenna could work at 1.525 ～1.559 GHz; with double circular polarized antenna; antenna gain ＞ 13 dBi; VSWR ＜1.5; E and H plane lobe width ＞ 25°.

circular polarization; microstrip array antenna; axial ratio; bandwidth

TN822

A

1002-0802(2016)-08-01093-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.026

2016-04-20;

2016-07-23

date:2016-04-20;Revised date:2016-07-23