基于矩形環(huán)加載的UHF頻段寬帶圓極化天線設計

王曉天，劉 敏，魯 帆

（北京空間飛行器總體設計部 北京 100094）

引 言

微帶天線因具有尺寸小、成本低、易加工等特點，廣泛應用于衛(wèi)星通信及衛(wèi)星導航領(lǐng)域[1-3]。特別是圓極化微帶天線，具有很多優(yōu)點：可以接收各種極化的來波，其圓極化輻射波可被任意極化天線接收；具有旋轉(zhuǎn)正交性，極化波入射到對稱目標反射波變?yōu)榉葱虻?。對圓極化天線來說，除阻抗帶寬指標外，軸比帶寬也是一個非常重要的指標。

傳統(tǒng)的單饋點單層微帶天線帶寬較窄，文獻[4-9]通過增加介質(zhì)厚度、改變介質(zhì)介電常數(shù)、改變饋電方式等一些簡單的方法擴展阻抗帶寬，但是這些方法對于展寬單饋點單層介質(zhì)微帶天線阻抗帶寬有效，對展寬圓極化軸比帶寬沒有效果，一般圓極化軸比帶寬只有1 %～3 %。文獻[10-15]用近似容性耦合饋電、縫隙饋電、多層微帶等方法可以得到寬帶圓極化天線，但由于采用雙點饋電，增加了饋電網(wǎng)絡及多層微帶，導致天線外形及重量過大，結(jié)構(gòu)較為復雜。對于工作在UHF 頻段的衛(wèi)星通信天線，饋電網(wǎng)絡加載多層微帶結(jié)構(gòu)的外形尺寸及重量均無法滿足衛(wèi)星輕量化、小型化要求。

為了提高單饋點單層微帶天線阻抗及軸比帶寬，同時為了簡化設計，本文設計了一款工作在UHF頻段寬帶圓極化微帶天線，采用在單層輻射片上方加載方環(huán)形金屬片的方式，實現(xiàn)了單饋點單層微帶天線寬帶圓極化設計。環(huán)形輻射片作為寄生貼片，表面可被激勵起行波電流分布，從而實現(xiàn)耦合圓極化輻射，同時金屬片內(nèi)外環(huán)帶邊緣與輻射貼片邊緣等距設計，可調(diào)參數(shù)少，設計簡單。測試結(jié)果表明，該天線工作在370 MHz～440 MHz 頻帶內(nèi)，主輻射增益約為7 dBi 左右，軸向軸比小于3 dB。由于本文設計天線為單饋單層微帶天線，該饋電方式?jīng)Q定其廣角圓極化性能一般，對于廣角圓極化性能要求不高的寬帶通信天線，可將此設計作為參考。

1 天線設計原理

為提高單饋點單層介質(zhì)圓極化微帶天線圓極化帶寬，常用的方法是貼片加載法，即在單層輻射貼片上方一定距離加載一個金屬貼片來實現(xiàn)耦合諧振，通過激勵單層輻射貼片及加載貼片的諧振頻率，兩個諧振頻率接近時會形成一個新的較寬的頻帶，因此可以獲得比較好的相對帶寬。本文的方法不需要增加饋電網(wǎng)絡來實現(xiàn)寬帶圓極化，由于采用單點饋電要求加載貼片可以激勵起圓極化信號，環(huán)形貼片作為寄生貼片，表面可被激勵起行波電流分布，從而實現(xiàn)耦合圓極化輻射。下面對環(huán)形貼片行波圓極化原理進行分析。

圖1 給出了環(huán)形貼片電流源及坐標系定義圖，依據(jù)電流積分方程可得環(huán)形貼片天線遠場輻射場為：

圖1 環(huán)形貼片電流源及坐標系定義圖Fig.1 Diagram of ring patch current and coordinate system

由公式（1）和公式（2）得出天線的最大輻射方向為z向，在z軸方向，圓極化輻射的條件為：

由公式（3）得出，當環(huán)天線上的電流為幅度均勻的行波電流時，環(huán)天線可實現(xiàn)圓極化輻射，通過調(diào)整環(huán)形貼片尺寸及與單層貼片距離，可以實現(xiàn)環(huán)形貼片表面行波電流分布。

單層貼片加載環(huán)形貼片實現(xiàn)寬帶圓極化的原理可以依據(jù)腔模理論[16]，單層貼片微帶天線可以等效成一個諧振腔，天線的輸入阻抗可以等效成對應于各模的并聯(lián)諧振電路阻抗之和。多層微帶天線可以將天線等效成含有初級和次級的耦合諧振電路，如圖2 所示。

圖2 多層微帶天線等效耦合電路Fig.2 Equivalent coupling circuit of double layer microstrip antenna

圖2 中，參數(shù)G1為第一層輻射貼片的電導，L1為第一層輻射貼片的電感，C1為第一層輻射貼片的電容；G2為耦合貼片的電導，L2為耦合貼片的電感，C2為耦合貼片的電容；Cg為第一層輻射貼片與耦合貼片之間的互耦電容。

微帶天線通常工作于TM01和TM10簡并模諧振頻率附近，而遠離其他諧振點，根據(jù)圖2 的等效電路，其數(shù)學模型可表示為：

天線輸入阻抗為50 Ω，通過公式（4）求得耦合貼片的等效電路參數(shù)，最終反演出耦合貼片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 天線設計

本文設計的UHF 頻段圓極化天線，采用金屬環(huán)帶加載矩形貼片微帶形式，該加載貼片既可實現(xiàn)天線寬帶特性，又可以作為天線的寄生單元提高天線增益。微帶天線采用Arlon AD450 介質(zhì)基材，介電常數(shù)εr為4.5，貼片選用矩形貼片形式，單點饋電。首先通過合理選取饋電點位置與矩形貼片尺寸實現(xiàn)天線圓極化特性，再通過調(diào)節(jié)方環(huán)形加載貼片高度及大小來實現(xiàn)圓極化寬帶特性。圖3、圖4 分別給出了天線三維結(jié)構(gòu)圖及天線剖視圖，其中，G為介質(zhì)基材及地板長度，W、L為矩形貼片尺寸，d為影響方環(huán)形貼片尺寸的參數(shù)值，a、b為饋電點相對矩形貼片邊緣位置，h1、h2分別表示介質(zhì)基材厚度及聚酰亞胺支撐介質(zhì)高度（方環(huán)形貼片相對矩形貼片高度）。

圖3 天線三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Antenna 3D structure

圖4 天線剖視圖Fig.4 Cutaway view of the antenna structure

方環(huán)形貼片尺寸d及距離輻射片的高度h2對天線圓極化及阻抗帶寬影響較大，通過優(yōu)化d和h2尺寸實現(xiàn)最優(yōu)的寬帶圓極化特性。圖5和圖6 分別給出了不同的d和h2尺寸對天線帶內(nèi)圓極化軸比及反射系數(shù)的影響曲線，可以看出d尺寸參數(shù)增加或者h2尺寸參數(shù)減少會導致圓極化軸比及駐波帶寬變寬，但中心頻段的圓極化軸比會惡化，h2尺寸參數(shù)變化對圓極化軸比帶寬影響較大，d尺寸參數(shù)變化對圓極化軸比帶寬影響較?。粓D7 給出了不同的d和h2尺寸參數(shù)對天線增益帶寬影響曲線，可以看出d和h2尺寸對天線增益帶寬影響較小。為得到最優(yōu)的寬帶圓極化軸比、增益及阻抗帶寬，需統(tǒng)籌考慮中心頻段圓極化性能，選取合理的d和h2尺寸參數(shù)。

圖5 不同方環(huán)形貼片尺寸d 及高度尺寸h2 對應天線軸向軸比帶寬仿真曲線Fig.5 Calculated boresight axial ratio of antenna with different size d and h2

圖6 不同方環(huán)形貼片尺寸d 及高度尺寸h2 對應天線反射系數(shù)仿真曲線Fig.6 Calculated reflection coefficient of antenna with different size d and h2

圖7 不同方環(huán)形貼片尺寸d 及高度尺寸h2 對應天線軸向增益帶寬仿真曲線Fig.7 Calculated boresight gain of antenna with different size d and h2

通過參數(shù)優(yōu)化，我們選取介質(zhì)基材及地板尺寸G為210 mm×210 mm，矩形貼片長L為177 mm，寬W為162 mm，方環(huán)形貼片尺寸d為15 mm，介質(zhì)基材高度h1為3.048 mm，聚酰亞胺支撐高度h2為54 mm，饋電點位置a為17.3 mm，b為33 mm。天線最大外輪廓尺寸為210 mm×210 mm×60 mm，天線重量約0.6 kg。

3 天線仿真及測試驗證

為進行設計驗證，依據(jù)設計的結(jié)構(gòu)尺寸加工天線樣機，并對天線進行測試。圖8 給出了天線的中心頻點和兩邊輻射測試及仿真增益方向比對圖，可以看出，實測與仿真結(jié)果接近，整個工作帶寬內(nèi)增益約7 dB 左右，個別角域增益實測存在凹點，主要由于裝配過程耦合貼片平面度較差造成，后續(xù)通過控制耦合貼片及支撐結(jié)構(gòu)平面度可以解決該問題。圖9 給出了不同頻點軸比測試曲線，由圖9 可以看出，該天線軸比（AR）小于3 dB 的帶寬約為8.4 %。圖10 給出了各頻點實測軸向增益值，軸向7 dB 增益帶寬在13 %以上。圖11 給出了該天線駐波比測試結(jié)果，由圖11 可以看出，該天線電壓駐波比（VSWR）小于2 的帶寬達到17.2 %。

圖8 輻射方向圖仿真及測試比對圖Fig.8 Measured and simulated radiation patterns of the proposed antenna

圖9 軸向軸比實測結(jié)果Fig.9 Measured boresight axial ratio of the antenna

圖10 軸向增益實測結(jié)果Fig.10 Measured boresight gain of the antenna

圖11 天線駐波實測結(jié)果Fig.11 Measured VSWR of the antenna

4 結(jié)束語

本文設計了一種工作在UHF 頻段的寬帶圓極化微帶天線，該天線為單點饋電、單層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，并采用方環(huán)形貼片加載技術(shù)，大大改善了單饋單層微帶天線的增益帶寬、阻抗帶寬及圓極化軸比帶寬。實測結(jié)果表明，天線電壓駐波比（VSWR）小于2 的帶寬達到17.2 %，軸比（AR）小于3 dB 的帶寬達到8.4 %，天線帶寬內(nèi)主輻射增益約7 dB 左右，7 dB 增益帶寬在13 %以上。本設計天線結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，目前已成功應用于某型號艙外通信天線。