C波段小型化寬帶雙圓極化微帶陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)

徐永佳， 楊存順， 孫雨婷， 郭慶功

(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院， 成都 610065； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所， 成都 610041)

1 引 言

微帶天線(xiàn)具有剖面低、體積小、重量輕、易組陣及易共形等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用.近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)、全球定位系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，寬帶圓極化微帶天線(xiàn)成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一.針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)通信，進(jìn)行收發(fā)隔離，采用雙圓極化天線(xiàn).饋電網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化天線(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn).早期大多采用縫隙耦合饋電[1-3]和微帶功分順序相差饋電[4-9]的多層天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)圓極化并拓展帶寬.其中，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在C波段的單圓極化微帶陣列天線(xiàn).采用十字開(kāi)槽耦合饋電和三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將阻抗帶寬拓展為18.6%，3 dB軸比帶寬為16.2%.2×2的天線(xiàn)陣列尺寸為1.4λ0×1.4λ0，λ0為中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自由波長(zhǎng).文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有調(diào)諧短截線(xiàn)的2×2的單圓極化微帶天線(xiàn)陣列，采用威爾金森功分器級(jí)聯(lián)饋電，阻抗帶寬拓展為25%，軸比小于2 dB的帶寬為19%，尺寸為1.4λ0×1.4λ0.文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在Ka波段的單圓極化微帶天線(xiàn)，采用T型功分器級(jí)聯(lián)饋電，將阻抗帶寬拓展為24%，3 dB軸比帶寬為20.6%，2×2天線(xiàn)陣列尺寸為1.74λ0×1.74λ0.但縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，饋電網(wǎng)絡(luò)只能排布在同一層介質(zhì)板，而微帶功分多采用直接與輻射單元相連的結(jié)構(gòu)，故面對(duì)天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)要求，將寬帶單圓極化天線(xiàn)拓展為雙圓極化天線(xiàn)，其微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)將面臨巨大挑戰(zhàn).

為解決上述問(wèn)題，大多采用左右旋兩副饋電網(wǎng)絡(luò)分層排布的結(jié)構(gòu)[10-15].文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)S波段的微帶雙圓極化陣列天線(xiàn)，采用左右旋饋電網(wǎng)絡(luò)分層排布技術(shù)和三層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)4×4的陣列天線(xiàn)尺寸為3λ0×3λ0，阻抗帶寬為9%.文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙頻雙圓極化的微帶天線(xiàn)陣列，采用饋電網(wǎng)絡(luò)分層排布技術(shù)，實(shí)現(xiàn)VSWR<1.5的左右旋兩個(gè)帶寬分別為16.4%和16.7%，左右旋3 dB軸比帶寬為13.3%和7.4%，2×2的天線(xiàn)陣列尺寸為1.7λ0×1.7λ0.上述設(shè)計(jì)雖滿(mǎn)足雙圓極化設(shè)計(jì)要求，但天線(xiàn)帶寬普遍較窄且尺寸偏大，無(wú)法滿(mǎn)足許多實(shí)際工程需求.為進(jìn)一步拓展雙圓極化天線(xiàn)帶寬，本文采用多層結(jié)構(gòu)、支節(jié)匹配、T型功分器順序饋電和左右旋饋電網(wǎng)絡(luò)分層排布等技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款3 dB軸比帶寬達(dá)28.6%的小型化寬帶雙圓極化微帶陣列天線(xiàn).

2 設(shè)計(jì)理論分析

圓極化天線(xiàn)以其可以接收任意極化波，波也可以由任意極化天線(xiàn)接收；旋向正交性等優(yōu)點(diǎn)，正在被廣泛研究和應(yīng)用.微帶圓極化天線(xiàn)也一直是研究的熱點(diǎn).實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)圓極化的基本方法有：?jiǎn)勿伔?、多饋法和多元?單饋法由一個(gè)饋點(diǎn)饋電，形成極化正交幅度相等的兩個(gè)簡(jiǎn)并模，90°相差由簡(jiǎn)并模分離單元引入.多饋法常見(jiàn)的形式為兩饋點(diǎn)饋電，產(chǎn)生由TM01和TM10模形成的極化正交模，幅度相等，饋電電路引入90°相差.多元法主要由并聯(lián)或串聯(lián)的饋電網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)線(xiàn)元陣組成天線(xiàn)陣，線(xiàn)元相差90°.

展寬微帶天線(xiàn)帶寬的基本途徑有兩個(gè)：(1) 是降低等效諧振電路Q(chēng)值，如式(1)所示；(2) 修改等效電路.其中，途徑(1)比較常用.由于因輻射引起的Q值幾乎與電厚度h/λ0成反比，因此增加基板厚度是擴(kuò)展帶寬的有效手段.疊層技術(shù)也是常見(jiàn)擴(kuò)展帶寬的方式，多采用中間填充空氣層的結(jié)構(gòu)，方便有效.

(1)

正方形貼片天線(xiàn)的經(jīng)典公式，如式(2)和式(3)所示，fr為諧振頻率；εr為等效介電常數(shù)，可以初步確定工作頻段對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)貼片尺寸.天線(xiàn)結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)包含多層不同介電常數(shù)的介質(zhì)基板，其等效介電常數(shù)εe可由式(4)給出，其中，i表示介質(zhì)層的層數(shù)；hi為第i層介質(zhì)層的高度；εri表示第i層介質(zhì)層的介電常數(shù).常采用在天線(xiàn)介質(zhì)板中間加空氣層來(lái)降低等效介電常數(shù)，達(dá)到擴(kuò)展帶寬的目的.

L=0.5λg-2ΔL

(2)

(3)

(4)

3 天線(xiàn)仿真設(shè)計(jì)

3.1 天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)

天線(xiàn)單元如圖1所示，采用三層介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)，材料為FR-4，介電常數(shù)均為4.4.天線(xiàn)結(jié)構(gòu)從上到下分別為：第一層介質(zhì)基板、寄生貼片、空氣層、輻射貼片和左旋饋電網(wǎng)絡(luò)；第二層介質(zhì)基板、接地板；第三層介質(zhì)基板、右旋饋電網(wǎng)絡(luò).通過(guò)空氣層高度和貼片尺寸可以調(diào)節(jié)天線(xiàn)阻抗特性.對(duì)貼片進(jìn)行切角，提高微帶天線(xiàn)圓極化性能.采用單支節(jié)匹配技術(shù)，展寬帶寬.根據(jù)式(2)和式(3)確定寄生貼片L1和輻射貼片L2的尺寸，空氣層高度H2一般約為中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)自由波長(zhǎng)的0.06倍.天線(xiàn)的主要參數(shù)如表1所示.

圖1 天線(xiàn)單元

表1 天線(xiàn)主要參數(shù)(單位：mm)

3.2 天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步擴(kuò)展天線(xiàn)的帶寬，提高天線(xiàn)的增益，在單元設(shè)計(jì)好的基礎(chǔ)上進(jìn)行組陣.微帶天線(xiàn)采用單饋點(diǎn)饋電，T型功分器并聯(lián)組成一個(gè)2×2的天線(xiàn)陣列提供90°相差，并對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行切角，實(shí)現(xiàn)圓極化.天線(xiàn)陣列間距一般在0.6λ0～0.8λ0之間.當(dāng)頻帶較寬時(shí)，需兼顧低頻和高頻，本文單元間距選取 0.76λ0.微帶天線(xiàn)陣列尺寸為1.27λ0×1.27λ0×0.1λ0.天線(xiàn)陣列如圖2所示.

(a) Microstrip antenna array (b) Feed network

圖2 微帶天線(xiàn)陣列及饋電網(wǎng)絡(luò)

Fig.2 Microstrip antenna array and feed network

3.3 天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖2所示，T型功分器并聯(lián)形成2×2天線(xiàn)陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，饋電網(wǎng)絡(luò)僅采用50 Ω和100 Ω的微帶線(xiàn).為實(shí)現(xiàn)雙圓極化微帶天線(xiàn)的小型化，將左右旋饋電功分網(wǎng)絡(luò)分兩層介質(zhì)板排布.左旋圓極化的饋電網(wǎng)絡(luò)排布在第二層介質(zhì)板上方，順時(shí)針相差分別為0°、90°、180°、270°，第一級(jí)T型功分器由50 Ω的微帶傳輸線(xiàn)輸入，采用100 Ω的阻抗變換段與第二級(jí)T型功分器相連; 第二級(jí)功分器均采用50 Ω的微帶線(xiàn)寬，最后與輻射貼片連接.右旋圓極化的饋電網(wǎng)絡(luò)排布在第三層介質(zhì)板下方，其饋電網(wǎng)絡(luò)的布局為左旋圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)布局的鏡像，饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射貼片之間通過(guò)金屬柱連接，相差分別為0°、-90°、-180°、-270°.如圖3所示，在3.2～5 GHz頻帶內(nèi)，仿真功分網(wǎng)絡(luò)的S11<-10 dB，端口幅度都在-6 dB左右；端口相位差都在90°左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

圖3 功分網(wǎng)絡(luò)幅度與相差仿真圖

Fig.3 The simulated amplitude and phase difference of feed network

天線(xiàn)的小型化通常會(huì)帶來(lái)天線(xiàn)性能的惡化，且微帶天線(xiàn)的圓極化帶寬一般較小，提高其軸比帶寬也會(huì)影響天線(xiàn)的駐波帶寬和增益.因天線(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，其周?chē)偷撞坑薪饘俜瓷浒?，從而增?qiáng)天線(xiàn)的單向輻射特性，提高增益.考慮金屬反射板會(huì)對(duì)天線(xiàn)性能造成影響，進(jìn)行調(diào)節(jié).底部反射板邊長(zhǎng)為L(zhǎng)B，四周金屬板高度為HB1，底部反射板與天線(xiàn)底部距離為HB2.綜合各個(gè)性能取LB=156 mm，HB1=65 mm，HB2=37.5 mm.

4 陣列仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

根據(jù)天線(xiàn)陣列仿真制作了2×2雙圓極化微帶天線(xiàn)樣機(jī)，天線(xiàn)實(shí)物如圖4所示.陣列駐波仿真與測(cè)試結(jié)果如圖5所示，軸比的仿真與測(cè)試結(jié)果如6所示，增益的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖7所示，陣列仿真和測(cè)試方向圖如圖8和圖9所示.

圖4 天線(xiàn)實(shí)物圖Fig.4 Photo of antenna

圖5 天線(xiàn)陣列駐波仿真與測(cè)試結(jié)果圖Fig.5 The simulated and measured VSWR of array

圖6 天線(xiàn)陣列軸比仿真與測(cè)試結(jié)果圖Fig.6 The simulated and measured AR of array

圖7 天線(xiàn)陣列增益仿真與測(cè)試結(jié)果圖Fig.7 The simulated and measured gain of array

從上圖可以看出，天線(xiàn)駐波測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，VSWR在3.25～4.85 GHz頻帶內(nèi)小于2，駐波帶寬達(dá)到39.5%以上.在3.3～4.4 GHz頻帶內(nèi)，天線(xiàn)仿真左右旋軸比均小于2 dB，在該頻帶內(nèi)測(cè)試結(jié)果左旋和右旋軸比小于3 dB，軸比帶寬達(dá)28.6%以上，測(cè)試結(jié)果略差于仿真結(jié)果，分析原因可能是因?yàn)樘炀€(xiàn)測(cè)試過(guò)程中，接收天線(xiàn)未能對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線(xiàn)及天線(xiàn)加工誤差的影響.在3.4～4.3 GHz帶寬內(nèi)，仿真天線(xiàn)陣列左右旋增益均大于11 dB，增益最大值達(dá)到13.6 dB，在3.4～4.3 GHz內(nèi)左旋測(cè)試增益大于10 dB，在3.4～4.2 GHz內(nèi)右旋測(cè)試增益大于10 dB，增益最大值為11.8 dB，測(cè)試增益較仿真增益降低1 dB左右，可能因?yàn)樘炀€(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)焊接及天線(xiàn)背腔加工誤差.

5 結(jié) 論

采用多層結(jié)構(gòu)與支節(jié)匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一款C波段寬帶雙圓極化微帶天線(xiàn)，保證低剖面的前提下最終實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，尺寸僅1.27λ0×1.27λ0×0.1λ0.天線(xiàn)的阻抗帶寬達(dá)39.5%，左右旋3 dB軸比帶寬均達(dá)28.6%以上，增益最大值為11.8 dB.更適用于無(wú)人機(jī)等對(duì)天線(xiàn)有低剖面、小尺寸嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場(chǎng)景.