小型寬波束圓極化天線及饋電網絡

丁軻佳 呂善偉 張 巖

（北京航空航天大學，北京100191）

引 言

伴隨衛星通信快速發展，衛星定位與導航、衛星廣播通信等技術在軍民用領域獲得廣泛應用。為確保在各種相對姿態下均能良好接收衛星信號，通常要求地面接收天線具有優異的寬波束增益特性和寬波束圓極化特性［1］。

用于衛星通信的圓極化天線形式包括立體地結構微帶天線［2］、介質天線［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、特別是在低仰角區域具有較高增益及較好軸比，在衛星通信領域引起重視并得到廣泛應用［6］，針對此類天線的研究比較多，包括實現寬頻帶［7－9］及小型化設計［10－12］等。

本文提出一種新型寬波束圓極化天線結構，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絡，實現功率分配和移相。理論分析、軟件仿真及實測結果表明：該新型圓極化天線具有優異的寬波束圓極化特性，與典型結構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并應用于更高頻段；饋電網絡結構緊湊，便于與天線集成設計與加工。

1.理論分析

1.1 天線結構

新型天線結構示意圖如圖1所示：天線結構由相互連接的四塊介質板組成，相鄰兩塊彼此垂直；介質板上采用印制電路板（PCB）工藝加工出覆銅區域（圖中深灰色結構）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以調諧匹配。四塊介質板上的輻射結構依順時針或逆時針順次排列成旋轉對稱，通過調整各單元排列的旋向和饋電相位超前／滯后關系，可分別實現左旋或右旋圓極化電磁波的發射接收。

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，故按旋轉對稱排列各輻射單元并分別進行等幅度、依次相移90°饋電時，一定條件下可根據環形偶極子模型，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；天線饋電網絡平面平行于地平面，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。并且通過調整結構參數h／l，可以實現對天線輻射特性的有效控制：當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。調整該參數可使天線呈現不同特點的輻射特性，適應不同應用需求。

1.2 饋電網絡設計

饋電網絡選擇T形功分枝節與定向耦合器相結合的設計，其組成原理如圖4（a）所示，以實現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 饋電網絡組成示意圖及分層電路板圖

為實現天線小型化，饋電網絡采用雙層微帶電路結構，中間層作為地平面、上下表層作為饋電網絡的傳輸線結構。

圖4（b）（c）所示為饋電網絡分層電路板圖，其中圖4（b）所示結構位于上層，為T形分支（包含阻抗匹配部分）與180°移相部分；圖4（c）所示結構位于下層，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。

為在實現射頻性能同時確保饋電網絡與輻射結構間最短距離互連，使整個天饋系統結構緊湊低損，定向耦合器的外形較之經典結構有較大差異，由此引入微帶線阻抗不連續、等效相移、線間互耦等問題。關于饋電網絡具體參數設計與調試，將另文詳細介紹，此處僅將設計結果呈現于此。

圖5所示為饋電網絡設計仿真結果，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互易）。由圖可見，在2.1～2.4GHz范圍內，饋電網絡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形功率分配枝節不能使三個端口同時實現匹配，而本設計優先確保輸入端口匹配，故另兩端口必然存在反射，這導致Port1－Port4的端口間隔離度僅為約10dB.

圖5 饋電網絡相移、功率分配、端口隔離度仿真結果

需要說明的是，上述設計結果是在饋電網絡各端口以純電阻作為負載仿真得到的。當把饋電網絡與天線輻射體組合在一起進行全波仿真計算時會發現，由于天線各輻射臂間存在較強的互耦，饋電網絡不能實現仿真結果，導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。通過對饋電網絡部分結構參數進行微調，最終可實現預期的阻抗特性和輻射特性，此時饋電網絡自身的特性已無法單獨給出，只能通過結果推知饋電網絡能夠較好實現預期指標。

2 實驗結果分析

選用厚度1mm、介電常數為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絡的基材，針對S波段衛星通信應用需求，設計一個工作于2.2～2.3GHz頻段的相控陣天線單元。

根據波束寬度、軸比特性要求，設計結果為天線高度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）。天線及饋電網絡結構示意圖如圖6所示。

圖6 新型天線及饋電網絡結構示意圖

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%.實測結果與仿真結果趨勢較為一致，最佳匹配點與仿真結果基本吻合，其變化趨勢也與仿真結果相似。

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果，坐標定義與圖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，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的區域為±110°，完全覆蓋天頂半球空間；在2.15～2.50GHz頻段范圍內，最大增益處軸比值小于3dB，軸比＜6dB的區域與中央頻點基本相同，均可覆蓋天頂半球。實測結果與仿真結果基本吻合，2.15～2.50GHz頻段內（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.

對比測試結果與仿真結果，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。根據理論及以往經驗，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，未在建模中設置連接電纜和金屬底板，而天線附近的金屬結構會對阻抗特性和輻射特性產生一定影響；此外，材料的介質損耗也有可能與仿真設置有少許差異。

圖11 2.25GHz天線輻射特性仿真和實測結果

3 結 論

本文提出并實現了一種新型的小型寬波束圓極化天線及其饋電網絡，天線使用印刷電路工藝實現四個獨立的輻射單元，并通過容性加載及短路點方式實現天線小型化；饋電網絡與天線集成設計，結構緊湊。實測結果表明：在0.12λ高度以內，該天線結構可實現3dB波束寬度不小于120°，6dB軸比波束寬度不小于180°；并在15%相對帶寬內保持輻射特性穩定；VSWR＜2.0的相對帶寬為16%.該天線小型化、寬波束、圓極化特性優良，結構新穎，便于加工和集成，特別是與低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝相結合后，更適合應用于S波段以上頻段，具有一定工程應用價值和良好發展前景。

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