一種耦合短路線加載的圓極化天線方案

陳智達(dá)，廖林，彭順全（廣東盛路通信科技股份有限公司，廣東佛山528100）

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一種耦合短路線加載的圓極化天線方案

陳智達(dá)，廖林，彭順全
（廣東盛路通信科技股份有限公司，廣東佛山528100）

摘要：提出在微帶貼片輻射面上加載等長(zhǎng)耦合短路線獲得小型化或者小介電常數(shù)的圓極化微帶天線設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了兩款雙饋的北斗B3天線驗(yàn)證了該方法的有效性。HFSS仿真結(jié)果表明，該天線工作于1.268 GHz，單元應(yīng)用于北斗自適應(yīng)陣內(nèi)，底盤尺寸直徑為220 mm，傳統(tǒng)天線采用50×50，ε=10的介質(zhì)板，增益為5.7 dB。本設(shè)計(jì)方案1采用35×35，ε=10的介質(zhì)板，增益6.0 dB，尺寸壓縮了30%;方案2采用50×50，ε=6的介質(zhì)板，增益為7.1 dB。介電常數(shù)減少了40%。與傳統(tǒng)的微帶圓極化天線相比，該設(shè)計(jì)方案可以根據(jù)實(shí)際選用更高增益的天線方案以及更小尺寸的天線方案。

關(guān)鍵詞：微帶天線；圓極化；短路線加載

對(duì)于如北斗衛(wèi)星系統(tǒng)上的衛(wèi)星天線，在小型化天線的研究過程中，人們常從材料中研制出具有較低相對(duì)介電常數(shù)3～15的新型材料，但對(duì)于小型化手持天線以及陣列天線按照體積要求［1］，如B3頻率天線，往往使用相對(duì)介電常數(shù)10以上的材料，但是使用高介電常數(shù)基板一般會(huì)在貼片單元的表面激勵(lì)起較強(qiáng)的表面波，使得天線的增益下降，并且還有可能導(dǎo)致天線的帶寬變窄，材料自身所帶來的損耗也較大，因此無法滿足衛(wèi)星系統(tǒng)小型化的要求。

而對(duì)于陣列天線單元的選擇，不僅要滿足系統(tǒng)提出的頻帶、增益、駐波比、極化等性能指標(biāo)，而且還要使得各個(gè)陣元間的耦合盡可能地小，保證各陣元的幅度和相位一致。然而隨著衛(wèi)星天線系統(tǒng)發(fā)展，體積不斷壓縮，對(duì)天線單元的效率、低仰角增益、體積小型化等都具有更高的要求。

本文提出了在微帶貼片四周上耦合加載金屬短路線［2-3］，并以應(yīng)用于北斗的右旋圓極化微帶天線為例，驗(yàn)證了本文提出方案的優(yōu)越性。傳統(tǒng)貼片天線采用50×50，ε=10的介質(zhì)板，增益為5.7 dB，如圖1所示。本設(shè)計(jì)方案1采用35×35，ε=10的介質(zhì)板，增益6.0 dB，尺寸壓縮了30%；方案2采用50×50，ε=6的介質(zhì)板，增益為7.1dB介電常數(shù)減少了40%。與傳統(tǒng)的微帶圓極化天線［4］相比，該設(shè)計(jì)方案可以根據(jù)實(shí)際選用更高增益的天線方案以及更小尺寸的天線方案［5］。

圖1　傳統(tǒng)微帶圓極化天線方案

1　天線結(jié)構(gòu)

本文提出的在輻射面加載等長(zhǎng)的耦合短路線微帶貼片天線如圖2所示。

微帶天線方案1的介質(zhì)基體選擇Taconic CER-10（ε=10，H=5 mm），金屬輻射面邊長(zhǎng)L1為35 mm，短路線L2為6.5 mm，短路線配有金屬化圓孔，使金屬線與輻射地導(dǎo)通形成短路線。L3為7.5 mm的輻射面凹槽，避開輻射面，形成短路線耦合形式。

圖2　短路線耦合圓極化天線方案

微帶天線方案2的Taconic RF-60（ε=6，H=5 mm），金屬輻射面邊長(zhǎng)L1為50 mm；L2為11.5 mm；L3為12.5 mm，如圖3所示。

上述方案均應(yīng)用于抗干擾陣列天線上，微帶天線通過兩路饋針雙端口移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圓極化，底板均為直徑220 mm圓盤，如圖4所示

2　仿真結(jié)果及討論

圖5和圖6給出了新天線方案的回波損耗和史密斯圓圖?？梢钥闯觯黾咏饘倩搪房撞挥绊懱炀€極化，并且通過雙端口3 dB移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圓極化，與傳統(tǒng)天線實(shí)現(xiàn)圓極化原理無異。圖7給出了貼片上的電流分布。可見，電流主要集中在凹槽周圍，加載的凹槽加短路線改變了電流的路徑，從而實(shí)現(xiàn)了尺寸的縮減。短路線越長(zhǎng)，尺寸縮減的空間越大。

圖3　短路線耦合圓極化天線方案2正面圖

圖4　本方案天線應(yīng)用于抗干擾陣列天線

圖5　回波損耗

圖6　史密斯圓圖

圖7　貼片電流分布

表1比較了本文提出的兩種天線方案和傳統(tǒng)方案輻射性能對(duì)比。表2比較了兩種天線方案在實(shí)際陣列天線應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。方案1，在同等介質(zhì)板的情況下，能使用更小尺寸的天線實(shí)現(xiàn)圓極化，并且在性能上與傳統(tǒng)天線差異不大；在同等尺寸上，方案2能使用更低介電常數(shù)的介質(zhì)板，使得天線損耗減少，獲得比傳統(tǒng)天線更高的增益。可見本文提出的短路線耦合微帶天線方案能設(shè)計(jì)出仰角增益高的天線或者設(shè)計(jì)出更小的貼片面積天線。

表1　與傳統(tǒng)天線1單元的比較

3　結(jié)論

本文提出了一種圓極化微帶貼片天線設(shè)計(jì)方案。在輻射面上加載耦合短路線來實(shí)現(xiàn)尺寸縮減和圓極化。與傳統(tǒng)的圓極化微帶天線相比，該方案能實(shí)現(xiàn)更高增益的圓極化天線或?qū)崿F(xiàn)更小尺寸的圓極化天線。本文所得結(jié)果和結(jié)論為圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)提供了理論的參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］薛睿峰,鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2002（4）: 331- 336.

［2］WATERHOUSE R B. Design and performance of small printed antennas［J］. IEEETrans. Antennas Propagat, 1998, 46（11）: 1629- 1633.

［3］NAKANO H, SUZUKI R, YAMAUCHI J. Low-profile Inverted-F Antenna with Parasitic Elements on an Infinite Ground Plane Microwaves［J］. Antennas and Propagation, IEEE Proceedings, 1998, 145（4）: 321-325.

［4］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1991.

［5］陳智達(dá),廖林,梁偉均.一種低損耗小型化衛(wèi)星天線單元:中國(guó), 201420611495.7［P/OL］. 2015-04-29［2015-07-18］. http://www.pss-system.gov.cn/sipopublicsearch/search/searchHome-searchIndex.shtml params=991CFE73D4DF553253D44 E119219BF31366856FF4B152226CAE4DB031259396A.

【責(zé)任編輯：周紹纓410154121@qq.com】

A circularly polarized antenna scheme coupled with short route

CHENZhi- da, LIAOLin, PENGShun- quan
（Guangdong ShengLu Communications Polytron Technologies Inc, Foshan 528100, China）

Abstract:In this paper, circularly polarized microstrip patch antenna has been widely used in wireless communications. As loading on the coupling short of microstrip patch radiating long line to get circular polarization microstrip antenna design miniaturization or a small dielectric constant, is proposed two double- fed antenna Compass B3 is designed to verify the effectiveness. HFSS simulation results show that the antenna in 1.268GHz, unit applies adaptive array within Compass, chassis size diameter of 220mm, a traditional antenna is 50×50,ε= dielectric plate 10, a gain of 5.7 dB. The design uses a 35×35,ε= dielectric plate 10, the gain 6.0 dB, size 30% compression; Scheme 2 using the dielectric plate 50×50,ε= 6, the gain is 7.1 dB reduced dielectric constant 40%. Compared with the conventional circular polarization microstrip antenna, the design can be chosen accordingtothe actual programs and higher gain antenna with smaller size antenna scheme

Keywords:microstrip antenna; circularlypolarized; short route roading

作者簡(jiǎn)介：陳智達(dá)（1987-），男，廣東佛山人，廣東盛路通信科技股份有限公司助理工程師。

收稿日期：2015-09-21

文章編號(hào)：1008- 0171（2016）02- 0025- 04

中圖分類號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A