一種具有寬角軸比特性的圓極化天線

陶 偉 趙玉軍 王昕曄

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.陜西海通天線有限責(zé)任公司，陜西 西安710075；3.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

引 言

隨著衛(wèi)星通信和全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，與之配套的圓極化天線憑借其獨特的旋向正交特性，也得到了迅速發(fā)展與應(yīng)用，有效提高了衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的接收靈敏度與定位精度，降低了系統(tǒng)接收誤碼率.

實際工程應(yīng)用中，為滿足天線在上半空間具有均勻輻射特性和全向性等使用需求，要求圓極化天線具有較寬的覆蓋波束，在更寬的波束范圍有好的軸比特性.文獻(xiàn)［1-3］表明，通過設(shè)計四臂螺旋、十字交叉振子和微帶等天線形式均可實現(xiàn)寬波束的圓極化天線；其中微帶圓極化天線因為具有體積小、重量輕、低剖面、低成本、易于實現(xiàn)量產(chǎn)和微帶線路集成等眾多優(yōu)點，得到了更加廣泛的關(guān)注和應(yīng)用.但受天線底部金屬腔和邊界條件的影響，微帶天線往往具有低仰角軸比特性差的缺點［4-5］，嚴(yán)重阻礙了其實用化進(jìn)程，因此如何提高微帶圓極化天線的寬角軸比特性是當(dāng)前天線領(lǐng)域的一個研究熱點，也是難點.

針對微帶圓極化天線低仰角軸比特性差的問題，研究并設(shè)計了一種單饋點寬波束圓極化微帶天線，采用L型微帶饋電形狀和耦合饋電的方式激勵出正交方向的電場；通過調(diào)整饋電長度，實現(xiàn)輻射正交電場的90°相位差，進(jìn)而實現(xiàn)天線的圓極化；重點在饋電結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，采用雙層電磁耦合型饋電結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)饋電結(jié)構(gòu)，使其同時具有一定的輻射功能，并在此基礎(chǔ)上通過附加饋線阻抗匹配、調(diào)整饋線和輻射單元間的厚度等技術(shù)措施實現(xiàn)了指標(biāo)的優(yōu)化，完成了具有寬角軸比特性的微帶天線設(shè)計.研制了天線原理樣機并進(jìn)行了測試，測試結(jié)果達(dá)到使用要求.

1 微帶圓極化天線基本理論與關(guān)鍵技術(shù)解決

1.1 圓極化天線基本理論

采用傳輸線模型理論分析微帶天線，通過在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起電磁場，微帶貼片可看作寬為W、長為L（一般L＝λg／2）的一段微帶傳輸線（λg為介質(zhì)波長），其終端在L處呈現(xiàn)開路.

對于圓極化天線，需要設(shè)計使其輻射出兩個在空間互相垂直、幅度相等，相位相差90°的電磁波.通過微帶天線的半波輻射結(jié)構(gòu)，其在某一頻率的諧振長度可由下式近似得出［6］

式中：c是真空中光速；λg是介質(zhì)波長；L是貼片的長度；εe是基板材料的等效介電常數(shù)；ΔL是等效貼片長度伸長，其值由以下公式計算：

式中：H為基片厚度；εr是基片材料的相對介電常數(shù)；W為貼片寬度，在設(shè)計圓極化時與L近似相等.

軸比是圓極化天線區(qū)別于其它天線的一個主要性能參數(shù).任意極化波的瞬時電場矢量的端點軌跡為一橢圓，橢圓的長軸和短軸之比稱之為軸比.軸比代表圓極化的純度，是衡量整機對不同方向的信號增益差異性的重要指標(biāo)，軸比小于3dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬.在衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等應(yīng)用中，由于衛(wèi)星分布在上半球空間，而軸比易受到天線邊界條件和外形結(jié)構(gòu)等影響，所以保證天線在各個方向均有相近的敏感度非常重要.

1.2 L型微帶饋線與耦合饋電貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

所設(shè)計的寬角軸比圓極化天線采用了雙層結(jié)構(gòu)的電磁耦合型饋電，如圖1所示.圖中，h為介質(zhì)基片厚度，L為近似正方形微帶貼片的邊長，S為L型微帶饋線長邊的長度，F(xiàn)為L型微帶饋線的寬度.選擇使用相同參數(shù)的介質(zhì)基片1和介質(zhì)基片2層疊，利用介質(zhì)基片2將同軸探針饋電過渡到L型微帶饋線，用L型微帶饋線給位于介質(zhì)基片1上的近似方形微帶貼片間接饋電，通過介質(zhì)基片1的地與介質(zhì)基片2的貼片形成容性縫隙輻射電磁能量.L型微帶饋線激勵了兩個空間上相互垂直、幅度近似相等、相位相差90°的電磁波.設(shè)計中在近似方形微帶貼片上形成一個微調(diào)單元A，其作用近似一個并聯(lián)的電容，對天線圓極化性能起到了優(yōu)化作用.

圖1 采用雙層電磁耦合饋電的微帶右旋圓極化天線結(jié)構(gòu)

利用Ansoft HFSS電磁分析軟件對天線進(jìn)行了仿真，圖2給出了天線表面電流分布.從圖中可以看出，電流主要分布在輻射貼片表面，但是在L型微帶饋線表面還形成了少量電流分布，這部分電流將會產(chǎn)生輻射，由此表明，應(yīng)用本設(shè)計可以通過調(diào)整微帶饋線來調(diào)整其表面電流輻射，進(jìn)而實現(xiàn)對整個天線方向圖的調(diào)整，并最終達(dá)到調(diào)整方向圖寬度以及天線寬角軸比的目的.

圖2 微帶圓極化天線表面電流分布示意圖

為了驗證微帶饋線在上述設(shè)計中的調(diào)整作用進(jìn)行了仿真計算.圖3～5給出了不同饋線寬度對應(yīng)的方向圖、軸比（1.268GHz的其中一個剖面）以及駐波比的仿真計算圖示.從圖中可以看出，饋線的寬度會影響天線波瓣寬度、阻抗匹配和電壓駐波比，這充分證明了本設(shè)計中饋線對天線輻射的調(diào)節(jié)作用.

圖3 不同饋線寬度對天線方向圖的影響

圖4 不同饋線寬度對天線軸比的影響

圖5 不同饋線寬度對天線電壓駐波比的影響

1.3 天線性能優(yōu)化

為獲取最優(yōu)的饋線寬度以實現(xiàn)好的低仰角軸比特性，主要從以下三方面進(jìn)行優(yōu)化.

1）對天線的輻射性能進(jìn)行優(yōu)化.根據(jù)工作頻率和工程需要的體積大小，選擇合適的介質(zhì)基片，采用厚度h＝3.0mm、介電常數(shù)εr＝6.15的介質(zhì)基片1和介質(zhì)基片2進(jìn)行小型化設(shè)計，增加介質(zhì)厚度，增加輻射單元的電導(dǎo)，從而提高輻射效率；優(yōu)化設(shè)計L型微帶饋線的饋電方向和尺寸，實現(xiàn)右旋的圓極化和較寬的寬角軸比帶寬，同時調(diào)整近似方形微帶貼片和微調(diào)單元的尺寸，進(jìn)一步提高圓極化性能.

2）進(jìn)行帶寬展寬設(shè)計.圓極化微帶天線的工作帶寬主要受限于阻抗帶寬，所以附加饋線阻抗匹配可以有效展寬微帶天線的工作帶寬，通過增加饋線和輻射單元之間的厚度可增加阻抗帶寬.通過在同軸饋電和L型微帶饋線之間增加微帶阻抗匹配段，增大天線的阻抗帶寬和阻抗匹配調(diào)整自由度，使天線阻抗特性得到優(yōu)化.

3）進(jìn)行電壓駐波比優(yōu)化.增加介質(zhì)基板厚度，將兩層厚度為3mm基片疊加為6mm，增大了微帶天線輻射的縫隙寬度，使得諧振腔中輻射出的能量增大.同時利用厚介質(zhì)基片激勵的表面波模式展寬了天線波束，提高了低仰角性能.

通過以上設(shè)計，得到L波段內(nèi)以1 268MHz為中心頻率的寬角軸比圓極化天線具體設(shè)計參數(shù)為：εr＝6.15、h＝3.0mm、L＝0.182λ0mm、S＝0.149λ0mm以及饋線寬度F＝0.076λ0.

2 寬角軸比圓極化天線的仿真測試

圖6～8是采用Ansoft HFSS電磁分析軟件仿真的天線電氣特性圖.圖6的仿真結(jié)果顯示，在1 268±10MHz頻點的右旋圓極化最大增益分別為5.3dBic、5.51dBic、4.99dBic，150°范圍右旋圓極化最小增益分別為-0.1dBic、-0.15dBic、-0.33 dBic.

圖7的仿真結(jié)果顯示，波束寬度150°范圍軸比分別為2.01dB、1.1dB、3.1dB.

圖8仿真結(jié)果顯示，1 268±10MHz頻段內(nèi)天線的電壓駐波比小于等于1.2；1 268±30MHz頻段內(nèi)天線的電壓駐波比小于等于1.5.

圖6 右旋圓極化垂直面增益方向圖

圖7 右旋圓極化軸比方向圖

圖8 右旋圓極化電壓駐波比

3 樣機測試結(jié)果

在上述理論指導(dǎo)下，研制了這種寬角軸比圓極化天線原理樣機（見圖9）.

圖9 寬角軸比微帶圓極化天線實物照片

根據(jù)工程使用要求在天線底部加裝金屬腔體后，使用128多探頭球面近場天線測試系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖10～12所示.

3.1 天線增益測試結(jié)果

由圖10可以看出，中心頻率1 268±10MHz內(nèi)150°波束范圍內(nèi)圓極化增益大于等于-0.5dBic實現(xiàn)了較寬波束范圍內(nèi)較高的輻射效率，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航定位天線低仰角具有較高增益的要求.

圖10 實測垂直面增益方向圖

圖11 實測軸比方向圖

3.2 天線軸比帶寬測試結(jié)果

由圖11可以看出，中心頻率1 268±10MHz時，150°波束范圍軸比小于等于3dB，達(dá)到了預(yù)期的寬角軸比要求.

3.3 天線電壓駐波比測試結(jié)果

由圖12可以看出，在中心頻率1 268±10MHz范圍內(nèi)實測的天線電壓駐波比小于等于1.2，天線在工作頻率范圍內(nèi)具有較好的阻抗匹配特性.

圖12 實測電壓駐波比

4 結(jié) 論

設(shè)計具有寬角軸比特性的微帶圓極化天線是當(dāng)前衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的要求，具有很大挑戰(zhàn)性.采用層疊結(jié)構(gòu)的耦合貼片和L型微帶饋線技術(shù)優(yōu)化設(shè)計了右旋圓極化天線，研制了具有寬角軸比特性的圓極化天線樣機，并對其增益、軸比和電壓駐波比進(jìn)行了測試.測試結(jié)果表明該天線在較寬的波束范圍內(nèi)具有好的軸比和極化增益，在更寬的頻帶內(nèi)獲得較低的電壓駐波比，滿足工程應(yīng)用要求.

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