一種寬頻帶二元微帶天線陣的設(shè)計與制作

丁衛(wèi)平 李洪彬 余同彬

（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1.引 言

圓極化微帶天線以其重量輕、剖面低、易于集成等優(yōu)點在移動、衛(wèi)星通信中得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的單點饋電圓極化微帶天線具有較窄的軸比帶寬，通常小于2%［1－2］，利用雙點或四點正交饋電及填充空氣層的方法可有效擴展天線的軸比帶寬及阻抗帶寬，但這種結(jié)構(gòu)增益較低［3－4］。近年來，層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線得到了廣泛的應(yīng)用，因為這種結(jié)構(gòu)不僅能提高天線的阻抗帶寬，而且還能提高天線增益［5－7］，但為了得到優(yōu)化的阻抗帶寬，層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線往往需要較高的剖面，文獻［5］和［6］所設(shè)計的天線高度約為0.1λ，文獻［7］中天線高度為0.14λ.支節(jié)匹配技術(shù)可以調(diào)節(jié)微帶天線的阻抗帶寬［8］，本文在天線高度僅為0.04λ的條件下，利用調(diào)諧支節(jié)優(yōu)化了層疊結(jié)構(gòu)微帶天線的阻抗帶寬（約為11.3%）。

在圓極化微帶天線陣的設(shè)計中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電在不引入其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情況下，能夠進一步提高天線陣的圓極化純度及阻抗帶寬［9－10］。本文將連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電方式用于二元層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線陣中，采用Ansoft HFSS10進行優(yōu)化設(shè)計，天線陣仿真的 －10dB 阻抗帶寬為48.7%，從1.15～1.89GHz.天線陣的1dB增益帶寬為13.2%，在1.49～1.7GHz的頻率范圍內(nèi)增益均大于11dB，最大增益達12.1dB.天線陣的軸比在1dB增益帶寬內(nèi)均小于0.8dB.最后制作了相應(yīng)的二元微帶天線陣，測試結(jié)果與仿真吻合較好。該天線陣適用于現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如 AMS（Australian MobilesatTM System），它的工作頻率為1.545～1.559 GHz及1.646～1.661GHz，極化方式為右旋圓極化。

2.天線陣單元設(shè)計

圖1 層疊結(jié)構(gòu)的單元微帶天線模型

采用方形貼片的形式設(shè)計了層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線，如圖1所示。天線的激勵貼片與饋電微帶線蝕刻在同一層介質(zhì)板上，寄生貼片通過介質(zhì)柱架在寄生貼片的正上方，空氣層的厚度為h2，激勵貼片與寄生貼片的邊長分別為L2與L1.單元天線地板尺寸為Lg×Lg，介質(zhì)板厚度為h1，介電常數(shù)為εr.激勵貼片饋電微帶線的寬度為W1，其為50Ω的傳輸線。在距離貼片d1處引入一寬W2長d2的調(diào)諧支節(jié)。引入調(diào)諧支節(jié)的目的是抵消輸入阻抗的虛部，使天線得到良好的匹配。

饋電采用微帶線側(cè)饋而沒有使用探針饋電，一方面是因為探針之間具有較為嚴重的耦合作用，會導(dǎo)致天線的圓極化性能變差；另一方面，把饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片做于同一層，使天線結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且抑制了饋電網(wǎng)絡(luò)的后向輻射。

適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)激勵貼片與寄生貼片的距離及貼片各自的大小可以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。兩個貼片間的距離保持0.04λ，利用調(diào)諧支節(jié)進行優(yōu)化，單元天線實現(xiàn)了11.3%的阻抗帶寬，從1.50～1.675 GHz，圖2為加入調(diào)諧支節(jié)與未加調(diào)諧支節(jié)的S11仿真曲線，兩種情況下其他尺寸均相同，分別為Lg＝145m，L1＝78mm，L2＝61mm，W1＝2.5 mm，h1＝0.8mm，h2＝8mm，εr＝2.2。引入調(diào)諧支節(jié)的尺寸為W2＝2.5mm，d1＝7.5mm，d2＝16mm.由圖2中虛線所示，未加調(diào)諧支節(jié)的情況下兩個頻點間一段會隆起，呈現(xiàn)出雙頻特性而不是寬帶特性。加入調(diào)諧支節(jié)相當(dāng)于在輸入端并聯(lián)了一段開路傳輸線，通過調(diào)節(jié)支節(jié)的長度可有效抵消輸入阻抗的虛部，同時它也間接地起到了阻抗變換的作用，改善了匹配效果，如圖2中實線所示。

圖2 輸入端引入調(diào)諧支與未加調(diào)諧支的S11仿真曲線

引入寄生貼片不僅能擴展天線帶寬，還可以提高天線的增益。文獻［6］引入了兩個寄生貼片，第一個寄生貼片距激勵貼片為0.075λ，用于提高天線的阻抗帶寬，當(dāng)?shù)诙€寄生貼片距第一個寄生貼片為0.5λ時，可將天線的增益提高3.5dB.但這種方法大大增加了天線的縱向高度，破壞了微帶天線的低剖面特性。出于小型化考慮，本文將寄生貼片與激勵貼片的距離設(shè)置為0.04λ，與傳統(tǒng)單層微帶天線相比，層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線增益也得到了提高。圖3為f＝1.6GHz時層疊結(jié)構(gòu)微帶天線與單片微帶天線的增益仿真曲線，加入寄生貼片后天線方向圖波瓣變窄，而增益提高了1.6dB，頂點增益為9.3 dB.

圖3 層疊結(jié)構(gòu)與單片微帶天線的增益仿真曲線

3.連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電天線陣設(shè)計

根據(jù)前文設(shè)計的單元天線，運用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電的方式將兩個單元組成二元天線陣，天線陣結(jié)構(gòu)如圖4所示。天線陣間距取為0.82λ，饋電網(wǎng)絡(luò)由3個Wikinson功分器構(gòu)成，如圖4所示，天線陣中單元2相對于單元1旋轉(zhuǎn)了90°，而且單元2饋電相位比單元1滯后90°，這樣構(gòu)成了雙單元的連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電模式，天線陣極化方式為右旋圓極化。

圖4 連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電的雙單元微帶天線陣示意圖

圖5給出了天線陣的S11仿真與測試曲線，測試曲線的效果比仿真曲線差一些，這可能是引入超小A型SMA（Sub－Miniature－A）接頭以及加工誤差帶來的影響。圖6給出了天線陣的增益和軸比隨頻率變化的仿真曲線以及測試點，如圖所示，測試結(jié)果與仿真吻合較好，天線陣的增益在1.48～1.68GHz的頻率范圍內(nèi)大于11dB，增益隨頻率變化起伏不超過1dB，測試的最大增益為11.8dB，比仿真的最大增益12.1dB略小。在1.45～1.7GHz的頻率范圍內(nèi)天線陣正前方向的軸比均小于1dB，具有較好的圓極化性能。圖7給出了工作頻率f＝1.55 GHz時，天線陣前向180°軸比和增益的測試曲線。

測試結(jié)果表明連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電用于層疊結(jié)構(gòu)微帶天線陣中可以有效提高天線陣的性能。天線陣帶寬的提高是因為利用了層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線單元，寄生貼片和激勵貼片同時工作在臨近的頻率上，進而拓展了微帶天線的帶寬。連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)顯著地提高了二元微帶天線陣的圓極化純度，使得天線陣的軸比在1dB的增益帶寬內(nèi)均小于1dB，圖8為天線陣的實物圖。

圖7 天線陣的增益與軸比測試曲線

圖8 天線陣實物圖

4.結(jié) 論

本文設(shè)計了一個連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電下雙單元圓極化微帶天線陣。采用層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線作為天線陣單元，引入調(diào)諧支節(jié)優(yōu)化了阻抗帶寬，同時降低了天線的高度。測試結(jié)果表明連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)可以有效提高天線陣的圓極化純度，天線陣軸比在1dB的增益帶寬內(nèi)均小于1dB，最大增益達11.8dB.綜上所述，該天線陣具有頻帶寬、增益高、圓極化性能好的優(yōu)點，工作帶寬覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)AMS（Australian MobilesatTM System）的兩個頻段，具有良好的應(yīng)用前景。

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