基于小型化HIS 結(jié)構(gòu)的寬波束微帶圓極化天線設(shè)計(jì)

丁 航，陳凱亞，程友峰，廖 成

（西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

近年來隨著衛(wèi)星通信、寬角掃描雷達(dá)、射頻識別等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，移動通信高性能天線的研制受到越來越多的關(guān)注。圓極化天線具有輻射效率高、抑制雨霧干擾及抗多徑反射等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通訊、指揮及控制系統(tǒng)、電子對抗、GPS 等眾多軍民領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用[1]。寬角度掃描相控陣系統(tǒng)需要在廣空域掃描的過程中保持高探測能力，要求天線單元具有寬波束角度覆蓋的特性，衛(wèi)星導(dǎo)航定位中低仰角的信號對于目標(biāo)定位的精確性具有重要作用[2]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備尺寸也越來越小，小型化依然是天線設(shè)計(jì)的主要趨勢[3]。

為了展寬圓極化天線的波束寬度，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究并提出了一些方法，如采用微帶介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)[4]，加載寄生環(huán)單元[5]、平面阿基米德螺旋天線[6]等方法。文獻(xiàn)[7]采用交叉偶極子外加金屬背腔反射器的結(jié)構(gòu)。但該天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圓極化特性，尺寸較大、剖面較高，不易于共形和集成在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[8]提出了一種應(yīng)用于衛(wèi)星通信的基于超表面覆蓋層的寬帶耦合縫隙天線，天線具有低剖面和緊湊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶與寬軸比帶寬的特性。該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能影響較大，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜。HIS 結(jié)構(gòu)是超材料周期性結(jié)構(gòu)的一種，在微波設(shè)計(jì)中具有很高的研究價(jià)值，其具有同相反射相位特性，可應(yīng)用在天線上減小其剖面高度，提高天線的工作帶寬，同時抑制天線主瓣與旁瓣之比以提高天線輻射效率[9-11]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于高阻抗表面結(jié)構(gòu)的寬波束圓極化微帶天線。在實(shí)現(xiàn)天線的寬軸比波束寬度特性與高前后比特性的同時，滿足衛(wèi)星通信終端天線的小型化與便攜移動的工作需求。該天線以方形微帶貼片作為輻射單元，使用同軸背饋的方式，采用設(shè)計(jì)的小型化HIS 陣列結(jié)構(gòu)作為天線的反射器，使得該微帶圓極化天線在工作頻率為5.8 GHz 處E 面與H 面軸比波束寬度提升了30°～40°，實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)的低剖面與小型化設(shè)計(jì)。

1 天線設(shè)計(jì)原理

1.1 輻射貼片設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線采用方形貼片作為輻射單元。基于空腔模型理論，規(guī)則貼片的對角上切角給原空腔模型加入幾何微擾，微擾單元使矩形貼片的兩個極化正交的簡并模TM10模與TM01模分離，選取合適的尺寸會使兩個分量等幅，相位相差90°，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射[11]。介質(zhì)基片材質(zhì)相對介電常數(shù)為2.65。微帶貼片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶貼片圖示

1.2 小型化HIS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為特定周期性結(jié)構(gòu)的等效電路模型，利用電抗性元件周期性加載的傳輸線表示。高阻抗表面表示的電磁特性可由集總參數(shù)元件等效并聯(lián)LC 諧振電路來分析。傳統(tǒng)的蘑菇型HIS 結(jié)構(gòu)如圖3a）所示，當(dāng)其受到外界電磁能量激勵時，感應(yīng)電流分布在表面結(jié)構(gòu)與金屬化過孔上形成電感，金屬貼片邊緣集聚電荷使金屬貼片之間產(chǎn)生電容[12]。

圖2 周期性結(jié)構(gòu)的等效電路圖

圖3 HIS 結(jié)構(gòu)圖

具體的等效電路物理量計(jì)算公式為：式中：w表示金屬貼片的邊長；g表示金屬貼片之間的間隙長度；h表示介質(zhì)基板的厚度。

HIS 結(jié)構(gòu)的等效諧振電路的諧振頻率為：

圖3b）為設(shè)計(jì)的小型化HIS 單元結(jié)構(gòu)。單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為a，Ls，W s，h1，單元結(jié)構(gòu)的間隙為gap，HIS 結(jié)構(gòu)所在的介質(zhì)層采用與微帶天線相同的材質(zhì)。相比傳統(tǒng)的蘑菇型HIS 結(jié)構(gòu)，此種小型化單元結(jié)構(gòu)除去了金屬化過孔，采取在方形金屬片各邊上開雙槽的方式達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊而簡單的特點(diǎn)。加載槽線通過增加結(jié)構(gòu)的表面電流路徑來提高HIS 結(jié)構(gòu)的等效電感，使得HIS 結(jié)構(gòu)的諧振頻率降低。根據(jù)周期長度與諧振頻率的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)HIS 結(jié)構(gòu)的小型化，單元尺寸相比傳統(tǒng)蘑菇型結(jié)構(gòu)減少了30%左右。

1.3 加載小型化HIS 結(jié)構(gòu)反射器的天線設(shè)計(jì)

采用設(shè)計(jì)的小型化HIS 單元，經(jīng)過與普通金屬板反射器的面積比較，確定HIS 結(jié)構(gòu)采用4×4 陣列形式，能夠有效減少HIS 結(jié)構(gòu)單元數(shù)，實(shí)現(xiàn)整體天線的小型化設(shè)計(jì)。HIS 陣列結(jié)構(gòu)與天線的距離為h3，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化表明其在距離微帶貼片0.029λ0的位置保持天線各項(xiàng)性能良好。加載HIS 結(jié)構(gòu)后的天線整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 天線整體結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過對微帶貼片和高阻抗表面的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化得到滿足預(yù)期指標(biāo)的各參數(shù)數(shù)值，記錄在表1 中。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 天線仿真與分析

2.1 HIS 陣列結(jié)構(gòu)拓展軸比波束寬度分析

圖5 和圖6 為未加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)與加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)的天線性能表現(xiàn)。

仿真結(jié)果顯示，加載小型化HIS 陣列結(jié)構(gòu)后天線的-10 dB 阻抗帶寬為4.97%（5.69～5.98 GHz），3 dB 軸比帶寬為1.21%（5.76～5.83 GHz）。圖7 為加載與未加載HIS 結(jié)構(gòu)的天線軸比方向圖，在E 面上軸比小于3 dB 波束寬度由原來的158.3°增加到205.3°，H 面上軸比小于3 dB 波束寬度由原來的165.4°增加到200.4°。實(shí)現(xiàn)在E 面與H 面上的寬軸比波束特性。軸比方向圖相比前者，曲線變得平緩，意味著在低仰角情況下天線對信號的接收響應(yīng)會變好。采用設(shè)計(jì)的HIS 陣列結(jié)構(gòu)作為反射器可抑制天線后瓣從而提高前后比，兼有拓寬軸比波束寬度的作用。

圖5 加載與未加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)的S11 曲線

圖6 加載與未加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場軸比曲線

2.2 基于HIS 陣列結(jié)構(gòu)的方向圖對比

軟件仿真得到單獨(dú)微帶天線的方向圖與加載HIS陣列結(jié)構(gòu)后的方向圖特性。圖8 顯示的為加載與未加載HIS 結(jié)構(gòu)的天線輻射方向圖，可以看出，原微帶天線單元的最大增益為5.81 dB，加載HIS 結(jié)構(gòu)后天線的最大增益提高到了6.99 dB，同時，天線的前后比由8.3 dB提高到了29.7 dB。結(jié)果表明輻射后瓣受到很好的抑制。

圖9 顯示的是加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)天線在工作頻率5.8 GHz 處xOz面與yOz面的主極化與交叉極化方向圖。相比微帶貼片，在后瓣方向上的天線交叉極化電平大大降低了。該天線輻射右旋圓極化波，在±90°范圍內(nèi)交叉極化比大于30 dB，交叉極化電平很低，遠(yuǎn)場輻射具有很好的極化純度。

圖7 加載與未加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)的軸比方向圖

圖8 加載與未加載HIS 陣列結(jié)構(gòu)的增益方向圖

圖9 主極化與交叉極化方向圖

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于小型化HIS 陣列結(jié)構(gòu)反射器的寬軸比波束圓極化微帶天線。該天線的整體尺寸為0.68λ0×0.68λ0×0.08λ0，結(jié)構(gòu)具有低剖面特性，天線方向圖具有較低的后瓣，能夠抵抗來自地面的電磁干擾。仿真結(jié)果表明，天線在5.8 GHz 處有良好的阻抗匹配與圓極化特性，在5.69 ～5.98 GHz 頻率范圍內(nèi)的S11＜-10 dB，在5.76～5.83 GHz 頻率范圍內(nèi)的AR＜3 dB。在5.8 GHz 處，前向最大增益為6.88 dB，前后比為29.7 dB。E 面與H 面滿足AR≤3 dB 的波束寬度為205.3°，200.4°。該天線具備寬軸比波束，低增益損失的特性，能夠應(yīng)用于寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。