Ku波段寬角掃描圓極化微帶陣列天線設計

尹繼亮

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Ku波段寬角掃描圓極化微帶陣列天線設計

尹繼亮

（中國西南電子技術研究所，四川成都 610036）

提出了一種三饋電圓極化微帶天線。天線饋電網絡采用一分三功分饋電，實現微帶貼片天線的圓極化輻射，增加方向圖的旋轉對稱性。用該天線作為陣列單元，采用順序旋轉布陣技術組成一個3×4陣列，有效地改善了陣列天線的增益掃描特性。研究了該陣列天線波束掃描時的輻射特性和極化特性。仿真結果表明:陣列天線在中心工作頻率處能實現俯仰60°的掃描，在掃描范圍內增益大于11.9 dBi，軸比小于2 dB。

微帶天線；圓極化；軸比；三饋電；寬角掃描；陣列天線

近年來，隨著無線通信技術的迅猛發展，對天線的要求越來越高，要求實現小型化、低輪廓、低成本、寬頻帶等。圓極化天線能夠接收任意線極化的電磁波，輻射的圓極化電磁波可以被任意線極化的天線接收，且圓極化天線可以有效減小多徑反射的影響、抑制雨霧等氣候引起的去極化效應、抗干擾強，得到了廣泛的關注。微帶貼片天線具有質量小、成本低、尺寸小、易于加工制造等特點，在相控陣天線系統中應用廣泛[1-2]。

寬角掃描圓極化天線陣列的軸比由兩個因素決定：一是陣列天線單元自身的軸比，二是陣列排布方式。

單個微帶貼片天線的圓極化可以通過單點饋電或多點饋電實現[3]。單點饋電微帶貼片天線結構簡單，但其圓極化帶寬較窄。多點饋電微帶貼片天線圓極化帶寬寬，但饋電網絡設計復雜，對于應用于Ku及以上頻段的天線設計起來更加困難，且饋電網絡會引入額外的損耗。采用雙饋或多饋來增大軸比帶寬，一般饋點越多，軸比帶寬越寬[4]，但這也使得饋電網絡更為復雜。文獻[5]提出了一種三饋電雙層圓極化微帶天線，其軸比帶寬達到了47.88%。文獻[6]提出了一種三饋電單層圓極化微帶天線，其軸比帶寬達到了12.2%。文獻[5-6]中的天線使用的饋電網絡采用微帶Wilkinson功分器，不適合應用于相控陣天線系統天線陣元與收發組件的互聯，尤其不適合應用于需要對天線單元進行旋轉布陣的相控陣天線系統。文獻[7]提出了一種中心饋電的四饋電圓極化微帶天線，天線采用一個一分四的饋電網絡，工作于L波段，其軸比帶寬達到了6.8%，但該天線在Ku及以上波段較難實現。

對于陣列排布方式對軸比影響的研究, 文獻[8] 提出了一種順序旋轉饋電的方式，這種方式后來被廣泛地應用，用于改善圓極化微帶陣列天線的軸比帶寬及大角度掃描時的圓極化增益等。文獻[9]研究了采用不同的順序旋轉方式組陣，但僅限于研究如何降低天線陣列的反旋分量。

為便于與收發組件進行射頻互聯，消除陣元按饋電點旋轉后微帶貼片之間的干涉，饋電點應盡可能靠近貼片天線的中心。

本文在綜合考慮工藝復雜性和天線陣列性能的基礎上，首次提出了一種中心饋電的三饋電圓極化微帶天線。然后以該天線單元為基礎，采用雙重順序旋轉饋電技術，設計了一個3×4寬角掃描圓極化微帶天線陣列。設計的天線陣列具有良好的寬角掃描特性，當工作于中心頻率時，陣列天線增益在±60o掃描范圍內下降小于2.8 dB，同時軸比小于2 dB。

1 天線單元設計

1.1 天線單元結構

天線單元結構如圖1所示，采用四層芯板層疊結構，從上到下分別是覆蓋層、貼片層、地板層、饋電網絡層。多層結構的設計使天線單元的饋電網絡層和輻射貼片被中間的接地板隔開，減小饋電網絡對天線造成的影響。另外，饋電網絡采用帶狀線的形式。介質基板均選用Taconic 介質材料，覆蓋層和貼片層選用TLY-5介質材料，相對介電常數2.2。為了滿足天線的帶寬要求，選用常用介質厚度1=0.254 mm和2=1.016 mm。為了能在有限的空間內排布饋電網絡，考慮印制板加工工藝的成熟性及低剖面要求，地板層和饋電網絡層選用RF-35介質材料，相對介電常數3.5，厚度為3=4=0.254 mm，不同介質基板之間采用半固化片（pp）進行粘接。為了滿足該天線單元在實際工程中的應用，饋電結構采用帶狀線轉同軸線的背饋方式。

對圓形微帶貼片中心進行開槽處理以提高端口間的隔離度，其結構如圖1所示。圓形貼片的半徑為P，采用同軸探針進行饋電。Y型槽的三條臂長寬一樣，Y型槽的寬度為S，Y型槽長度為S，槽與槽之間的夾角為120°。饋電點距離貼片中心的距離為F。圓形金屬地板與圓形介質基板的半徑為G。

（a）天線單元俯視圖

（b）天線單元側視圖

（c）貼片

（d）饋電網絡

圖1 天線單元結構模型

Fig.1 Geometry of the proposed antenna element

1.2 天線單元設計及仿真結果

為了實現圓極化，饋點位置呈等邊三角形，功分器的3路輸出要求等幅且相位依次相差120°[5]。常用的一分三功分器有Wilkinson功分器和T形結功分器，Wilkinson功分器需要在各支路間加隔離電阻且占用體積較大。為縮小尺寸，降低工藝復雜度，便于與收發組件互聯，本文采用帶狀線T形結功分器，功分器各端口間相位差通過帶狀線長短實現，結構如圖1所示。各輸出端口幅度及相位差的仿真結果如圖2所示。可以看出，功分器在4%的頻帶內，3個端口間輸出幅度差均在0.4 dB內，由于帶狀線固有的色散特性，相位隨頻率呈線性變化，造成各端口相位差在偏離中心頻點處120°。

圖2 帶狀線饋電網絡各端口傳輸損耗及相位差曲線

采用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對微帶貼片天線單元進行全波仿真分析。圖3為微帶貼片天線單元的電壓駐波比隨歸一化頻率的變化曲線。由圖可見，天線單元在4%的頻率范圍內電壓駐波比VSWR≤1.2。圖4為微帶貼片天線單元的增益和軸比隨歸一化頻率的變化曲線。由圖可見，天線單元在4%的頻率范圍內軸比AR≤4.5，天線單元的最大增益為7.01 dBi。圖5為微帶貼片天線單元中心頻率的增益方向圖。從圖中可以看出，該單元在大角度區域（60°），方向圖各剖面的電平差距較小，方向圖基本旋轉對稱。微帶貼片天線單元的其他尺寸參數如表1所示，0為中心工作波長。

圖3 天線單元駐波比曲線

圖4 天線單元增益和軸比曲線

圖5 天線單元增益方向圖

表1 天線單元各尺寸參數

Tab.1 Parameters of the antenna element

2 天線陣列設計與仿真分析

本設計中，12元陣按3×4三角形陣列排布（如圖6所示），為保證在±60o掃描范圍內不出現柵瓣，陣列單元間距按0.460排列。天線陣列設計采用雙重順序旋轉布陣技術，有效改善了天線陣列的寬角圓極化增益及軸比特性。同時，天線陣列結構采用多層PCB作為基板，并通過帶狀線轉射頻同軸連接器，完成天線陣面與收發組件的垂直互聯設計。采用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對陣列天線進行全波仿真分析。

圖6 3×4天線陣列結構

圖7為天線陣列在o平面的掃描特性曲線。圖8為天線陣列在o平面的掃描特性曲線。由圖7和圖8可見，天線工作在中心工作頻率，波束能夠掃描到±60°，在±60o掃描范圍內，天線陣列具有良好的副瓣特性。從仿真結果可以看出，在o面，波束掃描到±60°時，增益下降小于2.8 dB；在o面，波束掃描到±60°時，增益下降小于2.5 dB。

圖7 xoz面掃描方向圖

圖8 yoz面掃描方向圖

相對于傳統相控陣天線（以12元相控陣天線為例），本陣列天線具有更好的增益掃描下降特性，表2給出了本陣列天線掃描增益下降特性與文獻[10]中陣列天線的對比。

表2 本天線陣列與文獻[10]天線陣列的增益掃描特性對比

Tab.2 The gain scan loss performance of the proposed antenna array compared with the antenna array in reference [10]

圖9為天線陣列軸比隨掃描角的變化關系曲線。從圖中可以看出，當天線陣列工作在中心頻率時，在整個掃描范圍內，天線陣列半功率波束內的軸比小于2 dB。

圖9 天線陣列軸比隨掃描角的變化關系

3 結論

設計出了一種三饋電圓極化微帶貼片天線單元，該天線單元饋電點出口位于天線單元中心，通過ANSYS HFSS軟件仿真優化出天線單元的幾何結構參數。仿真結果表明，天線單元方向圖基本上旋轉對稱，適合用于順序旋轉布陣。采用該微帶貼片天線作為天線單元，組成一個3×4陣列，進行了天線陣列的仿真。仿真結果說明該陣列天線具有良好的寬角掃描特性，當工作于中心頻率時，陣列天線增益在±60o掃描范圍內下降小于2.8 dB，同時軸比小于2 dB。設計的陣列天線對于研究寬角掃描圓極化陣列天線具有一定的指導意義。

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（編輯：陳渝生）

Design of Ku-band wide-angle scanning circularly polarized microstrip array antenna

YIN Jiliang

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A novel three feeds circularly polarized microstrip antenna was proposed in this paper. The antenna feeding network was realized using a one-three power divider to enhance the rotational symmetry of circularly polarized radiation of the microstrip patch antenna. The proposed antenna element was arranged into a 3×4 array using sequentially rotated technique to effectively improve the array gain scanning performance. The array radiation and polarization performance during beam scanning was investigated as well. The simulation results indicate that the array beam can be steered in the elevation up to 60° at the center of the operating frequency. The gain of no less than 11.9 dBi and the axis ratio (AR) of no more than 2 dB are obtained within the scanning angles.

microstrip antenna; circular polarization; axial ratio; three-fed; wide-angle scanning; array antenna

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.017

TN82

A

1001-2028（2017）05-0081-04

2017-02-11

尹繼亮

尹繼亮（1984－），男，江西永新人,工程師，碩士，從事相控陣天線技術研究，E-mail: jiliang_yin@163.com 。

網絡出版時間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.017.html