一種寬帶圓極化微帶陣列天線設(shè)計(jì)*

楊新華，楊力華，姚宜東

（1.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

0 引言

L/S 頻段衛(wèi)星通信具有抗雨衰、終端體積小、不受惡劣天氣影響的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的天線用于車(chē)載S 頻段衛(wèi)星通信，要求天線收發(fā)共用，除具有寬頻帶、高增益、低軸比等優(yōu)良電性能外，還得滿足輕小、低輪廓、便于安裝等需求。

微帶天線具有低剖面、體積小、重量輕、易集成、饋電方式和極化方式靈活等多種優(yōu)點(diǎn)。但其帶寬窄、介質(zhì)損耗大、增益低，單層微帶天線的帶寬只有0.7%～7%，難以滿足S 頻段衛(wèi)星通信對(duì)帶寬的要求。因此，展寬微帶天線的帶寬具有重要意義。傳統(tǒng)方法包括增加微帶介質(zhì)厚度、降低微帶介質(zhì)介電常數(shù)、采用有耗介質(zhì)以及附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等[1-2]，但同時(shí)存在增益降低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及不易加工等缺點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種微帶陣列天線，采用雙層微帶天線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展天線帶寬，通過(guò)等分威爾金森功分器產(chǎn)生90°相移差，對(duì)天線單元進(jìn)行雙點(diǎn)同軸饋電的方式實(shí)現(xiàn)圓極化?？紤]到增益和低輪廓需求，采用2×4 的微帶平面陣列。饋電網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線結(jié)構(gòu)，以減小饋線的輻射對(duì)天線輻射方向圖造成影響。

1 天線單元

1.1 天線單元設(shè)計(jì)

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由3 層微帶板組成[3]，形成上層輻射層、空氣層、下層輻射層和饋電網(wǎng)絡(luò)層。上下輻射層采用圓形金屬貼片，上層貼片和下層貼片同心放置，下層貼片為激勵(lì)單元，上層貼片為寄生單元。兩個(gè)金屬圓形貼片形成兩個(gè)諧振回路，具有兩個(gè)諧振頻率，通過(guò)選擇合適的介質(zhì)基片、饋電位置、貼片形狀以及貼片間距，調(diào)整這兩個(gè)諧振頻率使其適當(dāng)接近，形成帶寬滿足需求的雙峰諧振電路，從而拓展天線工作帶寬，滿足收發(fā)共用的要求。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

天線工作中心頻率為f0，上下兩層金屬圓形貼片中激勵(lì)單元和寄生的諧振頻率分別為f01和f02，選擇基片的介電常數(shù)、厚度，采用以下經(jīng)典公式進(jìn)行計(jì)算貼片尺寸。

上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板選擇常用的介電常數(shù)穩(wěn)定的材料和常用規(guī)格的厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，空氣層的厚度d2=0～0.14λ時(shí)，方向圖具有好的邊射特性，頻帶展開(kāi)且增益增大。

天線使用雙點(diǎn)同軸探針饋電方式實(shí)現(xiàn)圓極化，兩饋電點(diǎn)相位差90°。為了優(yōu)化圓極化性能，采用等功分比的威爾金森功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩饋電點(diǎn)90°相位差，同時(shí)采用帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減小饋線的輻射對(duì)天線輻射方向圖造成影響。

1.2 天線單元仿真

設(shè)計(jì)中輻射貼片介質(zhì)板和饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)板介電常數(shù)為2.55，上貼片介質(zhì)板厚度為1 mm，下貼片厚度為3 mm，空氣層采用泡沫進(jìn)行支撐。帶狀線兩層介質(zhì)板的厚度為1 mm。通過(guò)兩個(gè)金屬化過(guò)孔，圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)與下貼片上表面相連。仿真模型如圖2 所示。

圖2 天線單元仿真模型

經(jīng)過(guò)對(duì)上下層圓形貼片直徑、饋電點(diǎn)位置等參數(shù)的優(yōu)化迭代，得上層圓形貼片最優(yōu)直徑為59 mm，下層圓形貼片最優(yōu)直徑為54 mm。優(yōu)化各參數(shù)，天線單元駐波比和增益曲線的結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 天線單元駐波

圖4 天線單元軸比

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，收發(fā)頻帶內(nèi)駐波小于1.1，軸比小于3 dB。

2 天線陣列

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，要求天線增益大于10 dBi，為此需要進(jìn)行8 陣元組陣，設(shè)計(jì)出2×4 的矩形陣列結(jié)構(gòu)。對(duì)間距迭代優(yōu)化后，調(diào)整單元間距[4]為90 mm。為了改善圓極化特性，兩行陣列間采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的饋電結(jié)構(gòu)[5]。饋電網(wǎng)絡(luò)如圖5 所示，整個(gè)天線陣仿真結(jié)果如圖6～圖9 所示。

圖5 功分饋電網(wǎng)絡(luò)

圖6 天線陣增益

圖7 天線陣軸比

圖8 天線陣駐波

圖9 天線陣增益曲線

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在1.95～2.25 GHz 頻帶內(nèi)，天線增益＞15 dBi，駐波＜1.2，方位軸比＜1 dB。帶寬頻率比達(dá)到14.2%，比單層微帶天線提升了一倍多，滿足S 頻段車(chē)載衛(wèi)星通信的指標(biāo)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合S 頻段衛(wèi)星通信需求，設(shè)計(jì)了一種寬帶圓極化微帶陣列天線，采用2×4 的陣列結(jié)構(gòu)，天線增益達(dá)到15 dBi。輻射體部分采用雙層微帶結(jié)構(gòu)，有效寬展了工作帶寬，相比于單層微帶天線提升了一倍多，使得天線能夠滿足收發(fā)雙工的需求。