小型寬波束圓極化天線及饋電網(wǎng)絡(luò)

丁軻佳 呂善偉 張 巖

（北京航空航天大學(xué)，北京100191）

引 言

伴隨衛(wèi)星通信快速發(fā)展，衛(wèi)星定位與導(dǎo)航、衛(wèi)星廣播通信等技術(shù)在軍民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為確保在各種相對姿態(tài)下均能良好接收衛(wèi)星信號，通常要求地面接收天線具有優(yōu)異的寬波束增益特性和寬波束圓極化特性［1］。

用于衛(wèi)星通信的圓極化天線形式包括立體地結(jié)構(gòu)微帶天線［2］、介質(zhì)天線［3］、背腔式縫隙天線［4］、折尾十字交叉振子天線、多臂螺旋天線等［5］。其中諧振式多臂螺旋天線因具備良好的寬波束圓極化特性、特別是在低仰角區(qū)域具有較高增益及較好軸比，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域引起重視并得到廣泛應(yīng)用［6］，針對此類天線的研究比較多，包括實現(xiàn)寬頻帶［7－9］及小型化設(shè)計［10－12］等。

本文提出一種新型寬波束圓極化天線結(jié)構(gòu)，與多臂螺旋天線具有相似的輻射特性，由四個獨立的平面印制輻射單元組成；采用容性加載和增加短路點的方式降低單元高度以實現(xiàn)小型化；以兩個分支線定向耦合器和移相電路組合成饋電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)功率分配和移相。理論分析、軟件仿真及實測結(jié)果表明：該新型圓極化天線具有優(yōu)異的寬波束圓極化特性，與典型結(jié)構(gòu)的多臂螺旋天線相比，可顯著降低天線高度、增加天線帶寬、降低加工難度、提高加工精度，可以采用集成電路工藝實現(xiàn)并應(yīng)用于更高頻段；饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊湊，便于與天線集成設(shè)計與加工。

1.理論分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

新型天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：天線結(jié)構(gòu)由相互連接的四塊介質(zhì)板組成，相鄰兩塊彼此垂直；介質(zhì)板上采用印制電路板（PCB）工藝加工出覆銅區(qū)域（圖中深灰色結(jié)構(gòu)）作為輻射單元；輻射單元頂端采用矩形貼片作為分布式容性加載，輻射單元的饋電部分增加一個短路枝節(jié)以調(diào)諧匹配。四塊介質(zhì)板上的輻射結(jié)構(gòu)依順時針或逆時針順次排列成旋轉(zhuǎn)對稱，通過調(diào)整各單元排列的旋向和饋電相位超前／滯后關(guān)系，可分別實現(xiàn)左旋或右旋圓極化電磁波的發(fā)射接收。

圖2所示為考慮輻射單元間互耦影響情況下，輻射單元表面電流分布情況。由圖可見，輻射單元表面電流同時存在垂直于地面和平行于地面分量，近似于多臂螺旋天線的輻射臂，故按旋轉(zhuǎn)對稱排列各輻射單元并分別進(jìn)行等幅度、依次相移90°饋電時，一定條件下可根據(jù)環(huán)形偶極子模型，總輻射場可近似寫成［9－10］：

可見，Eθ與Eφ幅度相等并且相位相差90°，表明其輻射場為理想的圓極化場；幅值方向圖具有寬波束特性，在低仰角仍具有較高增益且空間相位分布均勻。

圖3 輻射特性仿真結(jié)果及其隨h／l變化曲線簇圖

圖3所示為天線輻射特性仿真計算結(jié)果以及不同高寬比h／l（h和l定義參見圖1）條件下輻射特性變化趨勢。圖中θ為俯仰角，其坐標(biāo)系定義為：θ＝0°為天頂方向，θ＝90°和θ＝270°為平行于地面方向；天線饋電網(wǎng)絡(luò)平面平行于地平面，天線輻射體指向天頂方向（可參見圖6）。由圖可見，新型天線3dB增益波束寬度可達(dá)120°至180°；6dB軸比波束寬度可超過180°；具有良好寬波束增益特性和寬波束圓極化特性。并且通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)h／l，可以實現(xiàn)對天線輻射特性的有效控制：當(dāng)h／l增加，天線在天頂方向增益下降、軸比改善，地平面方向增益提高、軸比惡化；反之則趨勢相反。調(diào)整該參數(shù)可使天線呈現(xiàn)不同特點的輻射特性，適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)選擇T形功分枝節(jié)與定向耦合器相結(jié)合的設(shè)計，其組成原理如圖4（a）所示，以實現(xiàn)對各輻射單元等功率分配、依次相移90°饋電；同時確保各饋電端口間具有較好隔離特性，抑制各輻射單元之間的耦合。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)組成示意圖及分層電路板圖

為實現(xiàn)天線小型化，饋電網(wǎng)絡(luò)采用雙層微帶電路結(jié)構(gòu)，中間層作為地平面、上下表層作為饋電網(wǎng)絡(luò)的傳輸線結(jié)構(gòu)。

圖4（b）（c）所示為饋電網(wǎng)絡(luò)分層電路板圖，其中圖4（b）所示結(jié)構(gòu)位于上層，為T形分支（包含阻抗匹配部分）與180°移相部分；圖4（c）所示結(jié)構(gòu)位于下層，為兩個定向耦合器。中間層除各輻射臂饋電點處及上下層連接處開孔外都為完整地平面，此處不再示出。

為在實現(xiàn)射頻性能同時確保饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射結(jié)構(gòu)間最短距離互連，使整個天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊低損，定向耦合器的外形較之經(jīng)典結(jié)構(gòu)有較大差異，由此引入微帶線阻抗不連續(xù)、等效相移、線間互耦等問題。關(guān)于饋電網(wǎng)絡(luò)具體參數(shù)設(shè)計與調(diào)試，將另文詳細(xì)介紹，此處僅將設(shè)計結(jié)果呈現(xiàn)于此。

圖5所示為饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計仿真結(jié)果，其中等功率輸出端口分別定義為Port1－Port4，另一端口定義為輸入端口（雖然實際上述各端口均收發(fā)互易）。由圖可見，在2.1～2.4GHz范圍內(nèi)，饋電網(wǎng)絡(luò)具有較好的等功率分配、輸入端口匹配、90°相差相移等特性：各輸出端口插入損耗接近6dB；輸出信號相移依次遞增90°；輸入端口回波損耗在整個仿真頻段大于20dB，圖中未示出。由于T形功率分配枝節(jié)不能使三個端口同時實現(xiàn)匹配，而本設(shè)計優(yōu)先確保輸入端口匹配，故另兩端口必然存在反射，這導(dǎo)致Port1－Port4的端口間隔離度僅為約10dB.

圖5 饋電網(wǎng)絡(luò)相移、功率分配、端口隔離度仿真結(jié)果

需要說明的是，上述設(shè)計結(jié)果是在饋電網(wǎng)絡(luò)各端口以純電阻作為負(fù)載仿真得到的。當(dāng)把饋電網(wǎng)絡(luò)與天線輻射體組合在一起進(jìn)行全波仿真計算時會發(fā)現(xiàn)，由于天線各輻射臂間存在較強的互耦，饋電網(wǎng)絡(luò)不能實現(xiàn)仿真結(jié)果，導(dǎo)致輸入端口阻抗匹配、圓極化輻射及方向圖對稱性均不能實現(xiàn)。通過對饋電網(wǎng)絡(luò)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終可實現(xiàn)預(yù)期的阻抗特性和輻射特性，此時饋電網(wǎng)絡(luò)自身的特性已無法單獨給出，只能通過結(jié)果推知饋電網(wǎng)絡(luò)能夠較好實現(xiàn)預(yù)期指標(biāo)。

2 實驗結(jié)果分析

選用厚度1mm、介電常數(shù)為2.2的純聚四氟乙烯雙面覆銅板作為天線輻射臂及饋電網(wǎng)絡(luò)的基材，針對S波段衛(wèi)星通信應(yīng)用需求，設(shè)計一個工作于2.2～2.3GHz頻段的相控陣天線單元。

根據(jù)波束寬度、軸比特性要求，設(shè)計結(jié)果為天線高度16mm，（以中央頻率2.25GHz計，電長度為0.12λ），輻射單元間距12.8mm（電長度為0.096 λ）。天線及饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 新型天線及饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

天線采用PCB工藝加工，通過焊點連接、拼插和多層微波電路合并組裝而成。天線實物照片如圖7所示，其中（a）、（b）分別為天線上面和下面照片。

天線的駐波比（VSWR）仿真及測試結(jié)果如圖8所示，測試儀器為安捷倫N5230A。由圖可見：天線實 測 VSWR＜1.5 頻 段 為 2.17～2.33GHz；VSWR＜2.0頻段為2.13～2.50GHz，相對帶寬為16.4%.實測結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢較為一致，最佳匹配點與仿真結(jié)果基本吻合，其變化趨勢也與仿真結(jié)果相似。

圖9至圖11分別為新型天線2.15GHz、2.25 GHz、2.50GHz頻點的輻射特性仿真和測試結(jié)果，坐標(biāo)定義與圖3相同。由圖可見：在中央頻點2.25 GHz，天線3dB波束寬度為135°；在2.15～2.50 GHz頻段范圍內(nèi)，3dB波束寬度均超過120°，天線主瓣指向無偏移、主瓣不分裂；在天線的中央頻點2.25GHz，增益最大方向軸比小于1.5dB；軸比＜6 dB的區(qū)域為±110°，完全覆蓋天頂半球空間；在2.15～2.50GHz頻段范圍內(nèi)，最大增益處軸比值小于3dB，軸比＜6dB的區(qū)域與中央頻點基本相同，均可覆蓋天頂半球。實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，2.15～2.50GHz頻段內(nèi)（相對帶寬15.6%），天線3dB波束寬度大于120°；6dB軸比波束寬度超過180°，最大增益處軸比小于3dB.

對比測試結(jié)果與仿真結(jié)果，VSWR測試值較仿真值頻帶有所展寬、軸比特性較仿真值稍有惡化。根據(jù)理論及以往經(jīng)驗，主要是實物測試中，與儀器相連的電纜和采用金屬板作為安裝底板所造成的差異：仿真中為減少計算量，未在建模中設(shè)置連接電纜和金屬底板，而天線附近的金屬結(jié)構(gòu)會對阻抗特性和輻射特性產(chǎn)生一定影響；此外，材料的介質(zhì)損耗也有可能與仿真設(shè)置有少許差異。

圖11 2.25GHz天線輻射特性仿真和實測結(jié)果

3 結(jié) 論

本文提出并實現(xiàn)了一種新型的小型寬波束圓極化天線及其饋電網(wǎng)絡(luò)，天線使用印刷電路工藝實現(xiàn)四個獨立的輻射單元，并通過容性加載及短路點方式實現(xiàn)天線小型化；饋電網(wǎng)絡(luò)與天線集成設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。實測結(jié)果表明：在0.12λ高度以內(nèi)，該天線結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)3dB波束寬度不小于120°，6dB軸比波束寬度不小于180°；并在15%相對帶寬內(nèi)保持輻射特性穩(wěn)定；VSWR＜2.0的相對帶寬為16%.該天線小型化、寬波束、圓極化特性優(yōu)良，結(jié)構(gòu)新穎，便于加工和集成，特別是與低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝相結(jié)合后，更適合應(yīng)用于S波段以上頻段，具有一定工程應(yīng)用價值和良好發(fā)展前景。

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