一種寬帶寬波束圓極化微帶天線的設計

黨樂 吳軍軍 李聰

摘要：本文設計了一種寬帶寬波束圓極化微帶天線，并對其進行了分析。利用雙層輻射貼片來增加天線帶寬，同時通過在天線周圍增加金屬墻來實現波束寬度的展寬。仿真結果表明天線在電壓駐波比小于2時，帶寬達到了700MHz（從3.56GHz～4.26GHz），同時波束寬度可以達到115°。最終利用具有90°相位差的功分器給天線饋電，使該天線具有良好的增益、帶寬和軸比的特性。

關鍵詞：寬帶;寬波束;圓極化;微帶天線

中圖分類號：TN927.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0186-03

0 引言

由于圓極化天線具有抗電離層極化旋轉干擾的作用，被廣泛應用于衛星通信系統。作為衛星通信的圓極化天線，必須具有寬波束的特點，而四臂螺旋天線[1]則是這方面的典范，3dB波束寬度能達到180°，然而不足之處則是這類天線在帶寬內的增益不是很高。

微帶天線由于具有小尺寸、重量輕、輪廓低、低成本以及容易共形等特點，已經被廣泛應用于各個領域。傳統微帶天線的3dB波束寬度大約為70°～100°，不能滿足衛星通信信號在低仰角的良好接收需求。有一些文獻已經介紹了幾種增加波束寬度的方法，例如，使用高介電常數的介質板[2];或者使天線工作在高階模;或者使用微帶介質天線等等，毫無疑問這些方法的確可以增加天線的波束寬度，但是會帶來天線其它性能指標的縮減。

1 天線結構設計

本文重點研究了一種在天線周圍增加金屬墻的方法，使圓極化微帶天線的波束寬度展寬，同時再利用雙層圓貼片技術使天線的工作帶寬展寬。

天線結構如圖1所示，其中兩個輻射貼片被放置在厚度為1.5mm，介電常數為3.5的介質板上。天線周圍被金屬墻包圍，以利于展寬波束寬度。在天線的底部鋪有相位差為90°的威爾金森功分器，用來實現天線的圓極化饋電。

天線中r1和r2是兩個輻射貼片的半徑，由以下公式（3）可以初步計算得出合理數值：

天線饋電點的位置和金屬墻的高度的變化對天線性能的影響將通過仿真優化確定。圖2和圖3為天線在其他參數不變的情況下，反射系數和天線頂端軸比在饋電點不同位置時隨頻率變化的曲線圖，這里假定h4=4mm。由圖2和圖3可得，隨著饋電距離變大反射系數越來越小，但是軸比卻越來高，所以綜合考慮確定饋電點位置為kx=8mm。

金屬墻的引入是為了增加天線的3dB波束寬度，圖4和圖5為天線在其他參數不變的情況下，反射系數和增益在金屬墻不同高度時隨頻率和俯仰角度變化的曲線圖，這里饋電點位置為kx=8mm。金屬墻的高度為h1，h2，h3，h4之和，前三者的值已經確定，所以金屬墻高度的變化體現在h4的變化，由圖3可得，隨著h4變大反射系數越來越大，但是波束寬度卻越來寬，同時天線頂端增益也越來越小，所以綜合考慮確定h4=3mm。

2 仿真結果

經過計算和仿真優化最終確定產品各個物理參數如表1所示。

圖6是最終確定的天線的電壓駐波比仿真結果，可以得出天線在3.56GHz～4.26GHz工作頻段內電壓駐波比小于2，與傳統方法相比，3.91 GHz～4.15GHz帶寬增加了190%。圖7是最終確定的天線在中心頻率f=4.0GHz時的增益方向圖，天線3dB波束寬度改進后為115°，比改進前的83°增加了32°。

3 結語

本文通過雙輻射貼片和天線周圍增加金屬墻的雙重辦法，使圓極化微帶天線的帶寬和3dB波束寬度得到大幅度提升。同時保留了微帶天線結構簡單，易加工的優點。天線周圍增加金屬墻對展寬天線的波束寬度，具有普遍性，可以引入其他天線中使用。

參考文獻

[1] C.C.Kilgus.Resonant quadrafilar helix[J].IEEE Trans Antennas Propag，1969（17）：349-351.

[2] TOKO AMERICA INC.A miniature patch antenna for GPS application[J].Microwave journal，1997（9）：116-118.

[3] Zhang Jun， Liu Ke-cheng， Zhang Xian-yi ，et al.Microstrip antenna theory and engineering[M].Beijing：Publishing House of Electronic Industry，1988.