一種寬角掃描圓極化微帶陣列天線的設計

禹化龍，裴華偉

(中國電子科技集團公司第27研究所，鄭州 450047)

0 引言

天線作為無線通信系統的一個重要組成部分，其特性的好壞直接影響著整個無線通信系統的工作性能。無論是在軍事國防還是民用通信領域，對天線單元或陣列的阻抗帶寬、方向圖、極化和增益特性都提出了更高的要求。在某些具體的應用中，要求天線具有低剖面、重量輕、高增益、低旁瓣和波束掃描空域大等特點。微帶天線以其低輪廓、可共形、易集成、造價低等優(yōu)點近年來得到廣泛應用。采用微帶陣列天線則較容易滿足這些應用需求。

下面介紹一種寬角掃描圓極化微帶陣列天線的設計。天線單元選取低介電常數的介質基片，在雙層圓形貼片上分別刻四個槽以減小天線的尺寸，中心開十字縫增加天線的阻抗帶寬，在貼片邊切角和貼片的對角線上選擇合適的饋電位置實現圓極化，使用16個該天線單元組成一副4×4正方形微帶陣列天線，并對該陣列天線的一些特性進行了研究。

1 寬波束圓極化微帶天線的設計

1.1 天線單元的工作原理

寬波束圓極化微帶天線單元是實現圓極化微帶天線陣寬角掃描的基礎，考慮天線的工作帶寬等技術要求，因此，天線單元采用雙層微帶天線，下層導體貼片為饋電元，上層導體貼片為寄生元，合理選擇天線參數，可形成兩個諧振電路，具有兩個諧振頻率，能夠有效展寬天線的阻抗帶寬。天線參數配置得當時，兩個諧振頻率適當接近，結果形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路［1］。使用探針饋電的兩層貼片天線，其阻抗帶寬主要由低層貼片上的電流分布所決定，當寄生貼片是松耦合時，可獲得最寬的阻抗帶寬［2］。

在天線的上、下層導體貼片上分別切角，刻等長的十字縫隙，饋電點位置選在十字縫隙的角平分線上。由于上、下層導體貼片的幾何開關關于饋電點的對稱性，故可同時激勵等幅同相極化正交的簡并模，從而實現天線的圓極化設計。邊上刻的四個槽［3，4］和十字縫隙［5］，延長了上、下層導體貼片表面的電流路徑，降低了天線的諧振頻率，可以實現天線的小型化設計。

1.2 天線單元的結構設計

天線單元的結構如圖1所示。該天線由工作在兩個頻段同旋向的圓極化微帶天線層疊，形成雙頻圓極化天線。相同形狀的頂層貼片和底層貼片同心放置于介質基板之上，高頻段天線貼片放在上層，低頻段天線貼片放在下層。采用雙層貼片，下層貼片加工在厚度為h2、介電常數為εr2的材料上，上層貼片加工在厚度為h1、介電常數為εr1的材料上。設計中，為了簡化設計和加工，上下層選用相同介電常數的微波介質基片，相對介電常數為 εr1=εr2，基片厚度為h1=h2，探針通過下層介質的鉆孔連接到下層貼片上，上層貼片是下層貼片的寄生單元，通過下層貼片電磁耦合進行饋電。由上下層貼片半徑尺寸和貼片邊上四個槽的尺寸控制諧振頻率，選擇圓形切角大小和切角處的槽的尺寸來實現圓極化輻射，中心的十字縫用以增加天線的阻抗帶寬。

天線的設計參數為:上、下層貼片天線半徑分別為R1和R2，切邊寬度分別為d1和d2，邊沿四個縫長分別為R1－L1和R2－L2，縫寬分別為W1和W2，十字縫隙的長和寬分別 sw1、sw2、sL1、sL2，探針饋電點距下層貼片中心的距離為d。

R1和R2兩個參數依下述公式［5］進行設計。

圖1 天線單元的幾何結構圖

式中，fi為諧振電路的諧振頻率;Ri和Rei分別為貼片的實際半徑和有效半徑;hei為介質板的有效厚度;εi為介質板的有效介電常數(i=1，2);c為自由空間中的光速。其中

根據上述公式，選擇基片的介電常數、厚度，可以得到貼片的大小。

十字縫隙的長和寬兩個參數的確定可參考文獻［7，8］。利用微擾技術原理可以確定圓形切角的尺寸［9］。

雙層微帶天線的結構復雜，要得到精確的分析結果，必須用嚴格的全波分析方法進行分析。為了簡化設計，天線的初始尺寸利用上述計算公式得出，最終的尺寸利用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS軟件進行仿真計算，優(yōu)化仿真得到。HFSS軟件通過合適的網格劃分可以得到準確的仿真結果。

通過優(yōu)化參數，使天線的駐波、軸比和增益等指標滿足設計的要求。

1.3 天線單元的仿真及測試

由三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行仿真計算，仿真結果如圖2和圖3所示。由圖2的天線輸入端口電壓駐波比曲線可以看出，在1.17～1.29 GHz頻帶范圍內，輸入端口電壓駐波比小于2，在1.19 GHz和1.28 GHz兩個頻點發(fā)生諧振。根據圖3可知，天線的3 dB軸比帶寬范圍為1.196～1.281 GHz。

根據仿真的天線結構參數，加工了一副天線并進行測試，測試結果如圖4和圖5(虛線)所示，與仿真結果一致性較好。

2 陣列天線的設計

2.1 組陣原理

前面已經得到天線單元的特性，采用16個單元天線組成陣列天線，充分考慮天線單元組陣在掃描時出現的各種問題，以最簡單的正方形陣列為例進行設計。

對于正方形陣列，最大單元間距［10］

θm為圓錐形掃描空域的半錐角，根據掃描空域的要求θm≥φ，為了確保在f1～f2(f1≤f2)頻帶內，兩維掃描±φ，不出現柵瓣，不出現盲區(qū)效應，在設計中，應用式(1)時，應留有一定的余量。對于λ的取值，以最高頻率f2的對應波長設計。

2.2 互耦效應的影響

在天線陣中，一個陣元要受到其他陣元的作用，陣元上的電流分布要受到周圍其他陣元的影響而有所改變，這種現象稱為互耦。由于互耦作用的存在，使得每一個天線的輻射阻抗由自阻抗和互阻抗兩部分組成，即有以下方程

因此，在進行陣列天線設計時，需要考慮陣元之間的間距問題。天線存在工作于高頻端和低頻端兩種極端情況。針對高頻端將間距選擇為半波長，此時天線間距是互耦最嚴重的情況，通過設計，只要在高頻端得到較理想互耦參數，同樣可以在低頻端獲得較好的效果。據此，天線單元之間的間距以最高頻率f2的對應半波長選取。

3 陣列天線的仿真及測試

采用該天線單元組成一個4×4陣列，并在HFSS中建模，如圖6所示，對該陣列天線的電特性進行仿真分析。

陣列天線第二行第二列天線單元與第二行第三列天線單元輸入端口耦合系數曲線如圖7所示。試驗陣列中對應的相鄰兩天線單元輸入端口實測耦合曲線如圖8所示。從仿真結果和實測結果可以看出，相鄰兩天線單元間互耦較弱。

陣列天線中陣中天線單元在不同頻率下的XOZ面測試方向圖如圖9所示。由陣中天線單元的方向圖測試結果可以看出，天線單元在陣中方向圖基本上無畸變。

天線陣不做掃描情況下在f1頻點的YOZ面和3D仿真方向圖分別如圖10，圖11所示。由圖9可知，在法線方向陣列天線增益為16.5 dBi，主副比大于12.3 dB。

天線陣由Z軸向XOY面掃描45°時的方向圖如圖12所示。由圖12可知，天線陣在掃描45°后主瓣電平為13.8 dBi，掃描損失約小于3 dB。由此可知，天線的掃描空域大于45°×45°。

陣列天線由Z軸向X軸掃描45°時陣中第二行第二列天線單元的駐波測試曲線如圖13所示。由圖13可知，陣列天線在掃描時，陣中天線單元的駐波雖有所變化，但仍可滿足工作頻帶內對駐波的要求。

利用比較法，測得陣列天線在不同頻點的法線方向增益。測試結果見表1。由表1可知，天線陣具有較高的增益，在工作頻帶內，增益大于16.5 dBi。

表1 陣列天線在不同頻點的法線方向增益

4 結語

設計出了一種雙層寬波束圓極化微帶天線，通過Ansoft HFSS軟件仿真優(yōu)化出天線的幾何結構參數，并進行了加工和測試。采用該天線做為天線單元，組成一個4×4陣列，進行了天線陣的仿真、加工和測試。結果表明，該天線單元在天線陣中互耦較小，天線方向圖基本上無畸變，適用于組陣。在工作頻帶內，陣列天線增益大于16.5 dBi，同時能夠實現寬角掃描。該天線陣適用于對天線增益要求高，空域掃描范圍大的接收和發(fā)射機中使用。

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