一種具有寬角軸比特性的圓極化天線設(shè)計

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 郭麗江 吳 旭 趙東賀 孫 良

0.引言

隨著衛(wèi)星通信和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，對與之配套的的圓極化天線的要求越來越高，為了提高衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的接收靈敏度與定位精度，要求地面接收圓極化天線具有較寬的覆蓋波束，在波束范圍內(nèi)有好的軸比特性。文獻(xiàn)[1-4]表明通過設(shè)計四臂螺旋、十字交叉振子和微帶天線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)和易于與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。但微帶天線易受金屬底板尺寸和使用環(huán)境的影響，微帶天線低仰角軸比特性通常比較差[5-6]，嚴(yán)重阻礙了其實用化程度。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)計了一種雙饋點寬波束圓極化微帶天線，采用單層方形貼片微帶天線，利用微帶貼片的兩個饋電點來激勵一對極化正交的簡并模，通常采用帶90°相位差的威爾金森功分器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙饋電點振幅相等、相移90°的信號輸入，實現(xiàn)圓極化輻射。為達(dá)到改善天線寬角軸比的特點，在天線周圍增加金屬腔結(jié)構(gòu)，增加金屬腔結(jié)構(gòu)同時降低周圍環(huán)境對天線性能的影響。重點在金屬底板結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，采用有一定數(shù)量的金屬槽加載的金屬底板作為天下微帶天線的地板。通過金屬槽加載該變天線內(nèi)電場分布實現(xiàn)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.天線的組成和原理

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示, 天線主要由金屬腔，圓極化網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)基片和接插件等4部分組成，天線外廓尺寸為100mm×100mm×12mm。采用雙饋點的圓極化微帶天線形式，利用微帶貼片的兩個饋電點來激勵一對極化正交的簡并模，實現(xiàn)圓極化輻射?？紤]到天線的使用要求，對天線小型化要求較高，因此微帶天線單元采用高介電常數(shù)的介質(zhì)板，通過增加介質(zhì)厚度來展寬天線的工作帶寬，天線的匹配特性可通過調(diào)整金屬貼片的大小和介質(zhì)板的厚度獲得，為改善天線安裝環(huán)境對天線性能的影響，在微帶天線外側(cè)加入金屬腔，微調(diào)金屬腔內(nèi)尺寸和高度，可展寬天線波束和抑制載體表面波。天線的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)采用帶90°移相的威爾金森功分器，網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示，饋電網(wǎng)絡(luò)層印制板厚度為1mm。饋電網(wǎng)絡(luò)與微帶天線共用金屬地板，通過穿過金屬地板開孔的金屬插針連接。為了改善天線的寬角軸比特性，微帶天線的金屬地板四角增加一定數(shù)量的金屬槽加載，通過調(diào)整金屬槽的尺寸和數(shù)量使天線的寬角軸比特性達(dá)到最優(yōu)。

圖1 天線組成示意圖

圖2 天線圓極化網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.天線的仿真設(shè)計

為了實現(xiàn)天線具有寬角軸比特性的圓極化天線，首先設(shè)計了雙饋點的方形貼片的的圓極化天線，采用單層貼片無法獲得足夠的工作帶寬，使用增加介質(zhì)層的厚度即可解決這一問題，通過優(yōu)化貼片與金屬底板之間介質(zhì)層的厚度，可使天線獲得良好的匹配特性圖中給出了介質(zhì)層的厚度不同厚度電壓駐波比的仿真結(jié)果，可看出介質(zhì)層厚度越厚是帶寬越寬，考慮天線的成本和重量，介質(zhì)層厚度選取時d=3mm時，天線已獲得了良好的匹配特性。

圖3 天線駐波比示意圖

圖4 天線軸比仿真結(jié)果

為了得到較為理想的寬波束軸比性能，分別仿真了單層微帶貼片天線形式的寬角軸比性能和金屬腔金屬腔內(nèi)單層微帶貼片天線寬角軸比性能的影響，如圖4所示，增加金屬腔后天線的寬角軸比得到改善，根據(jù)仿真結(jié)果，天線軸比在±80°內(nèi)≤3.5dB。

為進(jìn)一步改進(jìn)天線的寬角軸比，通過在金屬底板增加金屬槽加載的方式改善天線的寬角軸比性能。在金屬底板增加金屬槽后，改變了天線的電場分布，合理的設(shè)計金屬槽的尺寸和金屬槽的分布，達(dá)到改善天線的寬角軸比的效果，最終天線輻射貼片尺寸為56mm×56mm，介質(zhì)板厚度為3mm，天線金屬腔尺寸為100mm×100mm×10mm，金屬槽數(shù)量為8條，分布于金屬底板四角處，槽寬1mm，天線仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，由仿真結(jié)果可知，增加金屬槽加載后，天線軸比在±80°內(nèi)≤2.6dB。

圖5 天線軸比仿真結(jié)果

圖6 天線方向圖仿真結(jié)果

圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)采用帶90°相位差的威爾金森功分器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙饋電點振幅相等、相移90°的信號輸入，通過優(yōu)化設(shè)計，圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)絡(luò)在需要的頻段內(nèi)具有良好的幅度、相移特性。

3.天線樣機測試

根據(jù)仿真結(jié)果，加工了天線樣機，并對天線進(jìn)行了測試，天線樣機測試圖如圖7所示。

圖7 天線樣機照片

圖8 天線樣機駐波比測試結(jié)果

圖9 天線樣機軸比測試結(jié)果

圖10 天線樣機H線極化方向圖測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖8～圖10所示，天線駐波比在工作帶寬內(nèi)小于1.5，天線在±80°內(nèi)軸比≤3dB,天線軸向增益6dBi，在±80°內(nèi)增益≥-2dBi，天線具有良好的寬角軸比特性。

4.結(jié)論

本文介紹了一種具有寬角軸比特性的圓極化天線。天線單元采用雙饋點微帶圓極化天線結(jié)構(gòu)，通過增加金屬腔和金屬底板的金屬槽加載等方式，使天線的具有良好寬角軸比特性。實測結(jié)果表明天線增益、駐波比、寬角軸比均取得了良好的結(jié)果。該天線同時可作為相控陣單元或者大型陣列的單元使用，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有良好的的應(yīng)用價值。

[1]謝處方,邱文杰等.天線原理與設(shè)計,1985(1).

[2]白旭東，曹岸杰，唐晶晶等.一種新型雙頻寬波束四臂螺旋天線的設(shè)計[J].中國電子科學(xué)院學(xué)報,2002(1).

[3]陳玉林.一種新型寬波束雙圓極化天線的設(shè)計與仿真[J].火控雷達(dá)技術(shù),2014(1).

[4]鐘順時.天線理論與技術(shù),2011(8).

[5]梁劍鋒,常立新,劉寧,韓國棟.一種衛(wèi)星移動通信雙極化微帶貼片天線[J].電子科技,2014(5).

[6]楊國棟,,宋躍.一種寬帶寬波束雙圓極化天線的設(shè)計[J].電子科技,2015(6).

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