機載小型圓極化天線設計

張 悅

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

0 引言

全向圓極化天線在全球定位系統和個人移動系統之類的無線通信系統中越來越受歡迎，同時也逐漸應用到了機載系統中[1]。傳統機載天線大多為線極化[2-8]，如果機載天線可以同時接收垂直極化和水平極化，那么就減輕了機載天線和地面端天線之間的極化失配，改善了信號質量。而大多圓極化天線都是定向輻射[9-10]，無法滿足機載全向通信的需求。

為了滿足技術需求，過去幾年提出了許多設計全向圓極化天線的方法。在文獻[11]中，天線通過貼片和槽的輻射來產生圓極化全向輻射；文獻[12]中提出了一種裝有改進的圓形貼片介質諧振器天線，它可以實現雙頻和雙圓極化全向輻射；文獻[13]中，通過基于圓柱結構的縫隙陣列天線實現全向圓極化工作。上述天線均可以產生全向圓極化輻射，但它們的體積和重量都較大。

為了使全向圓極化天線的結構小型化，科研工作者開展了一些研究。Shi和Liu[14]提出了一種帶有縫隙和短路引腳的圓形貼片天線，剖面高度為0.028λ0；文獻[15]中天線利用圓形貼片的兩個單極模式工作，其剖面高度減小到0.024λ0。雖然這些天線的輪廓可以進一步減小，但它們的橫向尺寸仍比較大，分別為0.78λ0和1.44λ0。文獻[16]中采用了4個彎曲偶極子，實現了尺寸為0.35λ0×0.35λ0×0.13λ0的小型化全向圓極化天線；到目前為止，文獻[17]中實現了最小的全向圓極化天線，其尺寸為0.22λ0×0.22λ0×0.076λ0。

眾所周知，天線的電尺寸與其性能直接相關[18-22]。因此，與上述天線相比，本文提出了一種具有更小尺寸的新型全向圓極化天線。弧形貼片和加載在圓盤上的探針用于實現全向圓極化輻射，使用4個短路針實現小型的結構。特別的是，本工作創新地提出了4個耦合弧可以極大減小天線的尺寸。最后，本文提出的天線具有非常小的尺寸0.16λ0×0.16λ0×0.03λ0，同時，還獲得了可以滿足需求的帶寬和增益。

1 天線結構

天線結構如圖1所示。天線由輻射貼片、匹配網絡、饋電探針和4個短路針組成。輻射貼片和匹配網絡分別印刷在厚度為1和0 mm上介質基板和下介質基板。2個基板的相對介電常數均為2.65，損耗角正切為0.002。其中輻射貼片包含4個耦合弧，一個耦合弧由外弧和內弧組成，內弧放置在外弧內，其一端連接到外弧。外弧和內弧的半徑分別標記為Router和Rinner。輻射貼片由裝載在圓盤上的探針通過中心的容性耦合進行激勵。4個短路針用來使外弧末端接地，此外還具有支撐和連接上、下基板的作用。饋電探針和短路引腳的材料都是銅質。

圖1 天線的結構

下基板與上基板距離為H，為了獲得良好的阻抗匹配，在下基板上設計匹配網絡，如圖1(d)所示。該天線的輸入阻抗接近25 Ω，因此引入阻抗變換線匹配到50 Ω。阻抗變換線在1.435 GHz的基板中約為四分之一波長，每個部分的特征阻抗如圖1(d)所示。通過計算和調整，天線參數如下：Router=16 mm，Rinner=13 mm，R1=1 mm，R2=2 mm，R3=3 mm，W1=2 mm，W2=2 mm，W3=0 mm，W4=1 mm，L1=25 mm，L2=18 mm，H=5 mm。

2 原理和方法

為了清楚地理解設計方法和工作原理，本節討論了該天線的全向圓極化特性和小型化特性。

2.1 全向圓極化特性

圓極化天線可以通過2個正交的線性極化場組合實現，這2個場幅度相等相位相差90°。輻射貼片可以看作是4個旋轉對稱元件的并集，每部分都包含耦合弧和短路針。這4個耦合弧是半徑為R1的環，其遠場的電場表示：

(1)

式中，J1為第一階貝塞爾函數；[I]為環路上的電流大小；ω為工作頻率；μ0為自由空間磁導率；r為從坐標中心到觀察點的距離。此外，加載在圓盤上的探針可以看作是長度為H的短路電流，其遠場可以表示為：

(2)

從上面的等式可知，如果饋電探針和耦合弧被均勻電流[I]激發，則可以產生2個具有90°相位差的正交極化場。

天線在1.435 GHz的電流分布如圖2所示。

圖2 天線在1.435 GHz的電流分布

由圖2可以看出，從饋電探針到外耦合弧，電流不會一次性改變相位的方向。因此，耦合弧產生的遠場垂直于饋電針產生的遠場。由于結構非常小，所以水平電流和垂直電流的幅度幾乎相等，使∠Eθ-∠Eφ=90°，天線就可以在水平面上輻射右旋圓極化(RHCP)波。

此外，饋電探針和4個耦合弧都具有全向輻射圖。因此，該天線可以實現全向圓極化輻射。

2.2 小型化

天線的小型化是短路針和強耦合的影響。另外，耦合弧可以大大降低天線的諧振頻率，從而實現天線單元的小型化。

天線的小型化過程可以從天線的4個改進模型看出，如圖3所示。

圖3 天線的4個改進模型

Ant1是單個輻射元件，僅是一個沒有短路針的外弧；Ant2在Ant1上添加了短路針；Ant3組裝了4個旋轉對稱的Ant2；Ant4是最終具有耦合弧的天線。圖4給出了4個天線的電壓駐波比(VSWR)曲線。

圖4 Ant1，Ant2，Ant3和Ant4的VSWR

Ant1的工作頻率為5 GHz，添加短路針后(Ant2)，工作頻率變為3.65 GHz，當采用4個Ant2時，元件之間的耦合使工作頻率明顯降低到1.85 GHz。此時Ant3的電尺寸為0.206λ0×0.206λ0×0.04λ0。

如果耦合效應進一步增強，可以進一步降低工作頻率。因此，在外弧內引入4個內弧以形成耦合弧。從圖4中可以看出，在添加內弧之后，工作頻率進一步降低到1.435 GHz。天線的電尺寸減小到0.16λ0×0.16λ0×0.03λ0。

主要有2個因素影響耦合—外弧和內弧之間的間隙以及內弧的長度，它們對工作頻率的影響如圖5和圖6所示。

在圖5(a)中，工作頻率隨著W3的減小而減小。理論上講，W3應盡可能小，但如果W3進一步減小，輸入阻抗將不能與50 Ω匹配。當W3減小時，軸比曲線也移動到較低頻率，如圖5(b)所示；另一方面，隨著內弧的長度(L2)的增加，可以加強耦合。

(a)VSWR

(b)AR圖5 不同W3的VSWR和AR

(a)VSWR

(b)AR圖6 不同L2的VSWR和AR

如圖6所示，當L2增加時，工作頻率移動到較低頻帶。為了獲得更好的阻抗匹配和更低的工作頻率最后選擇L2=18 mm。從上述結果可以知道，各部分之間的耦合度可以通過耦合弧的參數來調整。另外，軸比帶寬也較寬(AR<3 dB)，從1.34～1.76 GHz(W3=0 mm，L2=18 mm)為27%。當天線的工作頻率根據要求改變時，軸比可以保持穩定。

3 實驗結果

用本文所提出的方法加工了天線實物，實物照片如圖7所示。由于結構簡單體型較小，天線的總重量僅為4.2 g(不包括射頻連接器)。

(a)俯視圖

(b)側視圖

圖8(a)給出了模型的電壓駐波比，可以看出測量和計算的結果彼此吻合。該天線測量的阻抗帶寬(VSWR≤2)為13 MHz，1.429 ～1.442 GHz；1.435 GHz處測量的右旋圓極化增益，為1.01 dBi。

圖8(b)是該天線在θ=90°和θ=0°方向上的測量和仿真軸比。在工作頻段，軸比小于2.4 dB。

(a)VSWR和增益

(b)AR圖8 測量和計算的VSWR、增益和AR

圖9給出了1.435 GHz下方位角平面(xy平面)中天線分別在測量和計算下軸比曲線，測得的軸比小于3 dB，起伏量為1.1 dB。由于加工誤差，測量的軸比和其起伏量都略高于計算結果。

圖9 計算和測量的方位面(θ=90°) 圓極化天線的軸比

圖10是在1.435 GHz處測量和計算的方位面(xy平面)和俯仰面(xz平面)的天線輻射方向圖。結果表明天線獲得了全向性。方位面上，右旋圓極化和左旋圓極化之間的電平差大于15 dB，實現了良好的右旋全向圓極化輻射。

(a)方位角(xy平面)的天線輻射方向圖

(b)仰角(xz平面)的天線輻射方向圖圖10 1.435 GHz方位角(xy平面)(上)和仰角(xz平 面)(下)平面的計算和測量輻射方向圖

4 結束語

本文介紹了一種小型全向圓極化天線。全向圓極化由耦合弧的結構產生，特別是弧中的強耦合可以明顯地減小了天線的尺寸，接著詳細討論了天線的原理和實驗結果，天線的最終尺寸為0.16λ0×0.16λ0×0.03λ0，遠小于其他小型全向圓極化天線，可用于小型機載通信系統。再者，天線的軸比帶寬遠大于其阻抗帶寬，說明了這種小型化天線具有很大的寬頻帶潛力。