傾斜波束非對稱SAARS微帶天線設計

李思佳,曹祥玉,高 軍,鄭秋容,楊歡歡

(空軍工程大學信息與導航學院,陜西西安 710077)

傾斜波束非對稱SAARS微帶天線設計

李思佳,曹祥玉,高 軍,鄭秋容,楊歡歡

(空軍工程大學信息與導航學院,陜西西安 710077)

為了實現圓極化天線的傾斜波束,在單臂阿基米德螺旋(Single-Arm ARchimedean Spiral,SAARS)天線的基礎上,聯合柱狀螺旋天線的非對稱結構,設計出了一款波束傾角為30°的等圈非對稱圓極化天線.通過對螺旋臂參數和饋電連接線的優選,拓展了天線的帶寬,優化了天線的輻射性能.在垂直孔徑同軸饋電方式的激勵下,同時考慮電壓駐波比小于2、軸比小于3 dB和30°傾斜波束的條件,天線工作的相對帶寬約達16.7%.仿真和實測結果吻合較好,表明所設計的天線不僅具有良好的帶寬、較高的增益,同時實現了圓極化波束傾斜.

微帶天線;圓極化;傾斜波束;單臂阿基米德螺旋線;非對稱結構

當前傾斜波束主要通過多波束陣列天線[1]、波束賦形[2]和方向圖綜合[3]等方式實現.然而,由于陣列天線具有結構復雜、饋電難度大等特點,其應用范圍受到了限制.如何實現天線單元的傾斜波束,使天線設計與波束傾斜一體化,成為了天線設計亟待解決的問題.為此,文獻[4]設計了一種彎曲的雙葉片天線,實現了天線的線極化傾斜波束;文獻[5]進一步分析了對稱四葉片天線的性能,實現了雙向的線極化傾斜波束.這些研究推進了線極化傾斜波束天線技術的廣泛研究.然而由于圓極化傾斜波束天線的輻射需同時考慮電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)、波束方向和軸比(Axis Ratio,AR)等指標,其實現難度更大,相關研究較少.文獻[6]通過等角螺旋天線和同軸外部側饋激勵的方式,設計了一種圓極化傾斜波束天線,該天線具有微帶線寬相等、螺旋圈數不同的結構特征,其工作的相對帶寬約為8.6%(11.7～12.75 GHz).但該天線的波束傾斜依賴于大反射底板(反射底板直徑至少為波長的5倍).

阿基米德螺旋天線(ARchimedean Spiral Antenna,ARSA)由于具有圓極化、寬帶寬等優良特征而得到學者們的廣泛研究和應用[7-8].與等角螺旋天線相比,阿基米德螺旋線具有變化緩慢、同面積條件下天線臂線更長的優點,進而能改善天線帶寬和軸比性能.一般條件下,雙臂ARSA通過金屬腔體實現圓極化豎直波束.筆者基于單臂阿基米德螺旋天線(Single-Arm ARS,SAARS)非對稱結構和圓柱形螺旋天線3種輻射模式的啟發,結合ARSA的寬帶特征和設計準則[9]為天線的最大矢徑),通過SAARS與圓柱螺旋線的聯合構造了等圈數非對稱結構,在垂直孔徑同軸饋電條件下,設計出寬帶、圓極化、傾斜波束的SAARS微帶天線.仿真和實物測試驗證了天線具有30°傾斜波束的特征,同時保證了天線圓極化輻射性能.

1 SAARS微帶天線的設計與優化

1.1 SAARS微帶天線的設計

阿基米德微帶螺旋天線具有圓極化特性,其天線方程為[10]

其中,r0為天線的起始矢徑,a為螺旋增長率,φ為相位,δ為初始相位.筆者所設計天線在圓柱頂面采用SAARS結構,圓柱頂面上的平面螺旋線與同軸饋電之間采用柱狀螺旋線的方式連接,具體的設計結構如圖1所示,對應的設計參數見表1.所設計的天線貼在介質桶上,介質桶的厚度為ρ,內外半徑分別為rmax和rmax-ρ,內外高度分別為h和h-ρ,其相對介電常數為εr.為了拓展帶寬,設計的天線具有柱狀螺旋線與平面SAARS線相同的螺旋圈數,且微帶線寬不等的特征.平面SAARS線的線寬為r0,相鄰螺旋線之間的節距為Δr,介質桶側面的螺旋線的線寬為h0,其對應相鄰螺旋線之間的節距為Δh,饋電方式采用同軸饋電,避免了ARSA金屬腔體的復雜結構.反射面采用半徑為R的金屬平面.與文獻[6]采用等角螺旋線和同軸外部側饋方案不同的是,文中天線頂部采用了SAARS線,結合側面柱狀螺旋線形成了非對稱結構,在饋電部分采用了垂直孔徑同軸饋電的方法.

圖1 傾斜波束天線的結構

表1 傾斜波束天線的相關參數

1.2 參數優選

為了進一步提高天線的性能,使用基于有限元法的Ansoft HFSS12軟件對所設計的平面SAARS線結構和饋電連接的柱面螺旋線結構進行優化,采用4π的螺旋線結構進行饋電連接,其中h0為1.8 mm,Δh為5.4 mm,同軸饋電高度為1.2 mm時,不同Δr和r0條件下的天線VSWR結果如圖2所示.通過圖2(a)不同r0條件下VSWR的仿真曲線比較可知,r0=2.6 mm時,VSWR帶寬最寬,因此,選取該參數為所設計天線的尺寸.通過圖2(b)不同Δr條件下VSWR的仿真曲線比較可知,Δr=5.4 mm的性能最佳.在Δr=5.4 mm和r0=2.6 mm條件下,不同h0和Δh條件下的天線VSWR結果如圖2(c)和2(d)所示.由圖2(c)可知,當h0=1.82 mm時,VSWR的效果最好;通過圖2(d)的VSWR仿真曲線比較可知,選擇Δh=5.8 mm最佳.

圖2 不同情況下的天線VSWR性能比較

1.3 饋電優選

與文獻[6]使用同軸外部側饋方法不同的是筆者在設計中采用了垂直孔徑同軸饋電的方法,該方法在介質桶上通過垂直孔徑將同軸線的內芯接到介質桶側面的螺旋線上,外芯接到反射面,實現了垂直孔徑同軸饋電,如圖3所示.采用同軸外部側饋和垂直孔徑同軸饋電的仿真結果如圖4所示.從圖中可以明顯看出,除了個別窄帶頻段外,整體上垂直孔徑同軸饋電條件下天線的VSWR比同軸外部側饋的天線性能好.這主要是因為外部側饋會引起附加電容,產生較大的感抗,影響天線的匹配效果,減小天線的帶寬;側饋部分也會向外輻射能量,產生較大的交叉極化分量,降低天線的增益;同時側饋也會引起表面波,影響天線輻射性能.

圖3 兩種饋電方法的示意圖

圖4 兩種饋電方法及實測的天線VSWR性能

2 性能分析

2.1 側面柱狀螺旋線的性能

側面圓柱螺旋線具有3種輻射模式[11],其輻射狀態為

其中,γ為螺旋圈的周長與波長的比值,結合圖1的參量,γ定義為

由前面的參數和式(2)、式(3)可知,當天線的工作頻率在2.8～4.91 GHz時,天線工作于軸向模;當其工作頻率大于4.91 GHz時,天線工作于錐形模.根據極化特性可知,天線輻射的電磁波為圓極化波.

2.2 平面SAARS天線的性能

對于SAARS天線,當天線圈數為1圈時,其軸比帶寬僅有7%;平面SAARS的周長滿足式(4)的關系時,其輻射電磁波為圓極化波[12].根據前面的天線尺寸和工作的頻段5.5～6.5 GHz可知,所設計的平面SAARS形成了圓極化波.

2.3 綜合性能

傾斜波束非對稱SAARS天線主要通過SAARS的周長確定波束的傾斜程度,利用側面柱狀螺旋微帶線實現圓極化輻射.該天線將平面SAARS線的傾斜波束和側面柱狀螺旋線的錐形模有機綜合,在遠區形成圓極化傾斜波束.由于側面螺旋天線具有不同類型的工作模式,它將直接影響所設計微帶天線的工作性能.由前面的分析可知,當工作頻率小于4.91 GHz時,天線具有圓極化特征,波束不會傾斜;當工作頻率大于4.91 GHz時,天線輻射圓極化波的同時具有傾斜波束的特征.該結論將通過仿真和天線測試予以驗證.

3 仿真與測試

為了驗證天線的傾斜波束和圓極化特征,在加工了如圖5所示的實物基礎上,通過VSWR、AR和方向圖的實際測量,驗證了設計的正確性.實測的VSWR曲線如圖4所示(測試的矢量網絡分析儀型號為Agilent N5230C).由圖可知天線在VSWR小于2條件下,實測相對帶寬約達126.6%(4～17.8 GHz),具有超寬帶特性.圖6是天線軸比的仿真和實測結果.在實測中當反射板直徑為2倍波長時,在AR小于3 dB的條件下,天線在4.5～6.5 GHz內產生圓極化波,其AR相對帶寬約為36.4%,所設計的等圈非對稱SAARS天線達到了圓極化目標.天線仿真和實測的方向圖如圖7所示.可以看出,天線在5.5～6.5 GHz范圍內都具有傾角30°的特征(誤差小于5%),天線增益在7.5 dBi以上.總體上看,天線實測的φ=0°面和φ=90°面結果與仿真的吻合較好,但存在微小的偏差,其主要原因是由于實測環境和加工誤差的影響.當工作頻率為4.5 GHz時,仿真和實測都顯示出了波束的非傾斜特征,證實了前面分析的正確性;當工作頻率為7.5 GHz時,其天線工作在錐形模,產生了錐形波束.從仿真和測試的結果可以看到,所設計的天線具有方向圖隨頻率變化的特征,但在一定范圍內形成了相對穩定的傾斜波束方向圖.綜上可知,所設計的等圈非對稱傾斜波束天線在5.5～6.5 GHz內產生圓極化的傾斜波束,其工作相對帶寬在16.7%以上.與文獻[6]等角螺旋線的不同圈數等帶寬相比較,文中通過SAARS與圓柱形螺旋線的非對稱結構,實現了圓極化的波束傾斜,帶寬的控制更利于VSWR和AR的改善;SAARS由于螺旋線變化緩慢,同面積條件下天線臂線更長,從而更利于波束傾斜角度的控制.

4 結束語

傾斜波束天線技術的研究是將天線設計與波束賦形有機結合,在保持了天線有效輻射性能的同時,通過天線設計實現波束傾斜.筆者通過圓柱形螺旋天線和單臂平面阿基米德螺旋天線的有機結合,形成了天線的非對稱結構,在垂直孔徑同軸饋電激勵下,完成了圓極化波束傾斜的阿基米德螺旋微帶天線設計.仿真和實測結果表明,文中設計的等圈非對稱SAARS天線具有圓極化的傾斜波束.在VSWR小于2的條件下,天線的相對帶寬約達126.6%;在AR小于3 d B的條件下,天線的相對帶寬約為36.4%;同時考慮VSWR、AR和30°傾斜波束的條件,天線工作的相對帶寬約為16.7%.由于傾斜波束圓極化天線技術的研究處于起步階段,能夠在不改變天線的同時實現波束的旋轉將是下一步研究的重點.

圖5 加工的天線實物圖

圖6 天線的AR結果

圖7 天線的輻射方向圖

[1]Ettorre M,Sauleau R,Le Coq L.Multi-Beam Multi-Layer Leaky-Wave SIW Pillbox Antenna for Millimeter-Wave Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(4):1093-1100.

[2] 高軍,曹祥玉,張廣,等.一種波束賦形相控陣天線的分析與設計[J].西安電子科技大學學報,2008,35(6):1084-1088. Gao Jun,Cao Xiangyu,Zhang Guang,et al.Analysis and Design of a Phased Array Antenna with a Shaped Pattern[J]. Journal of Xidian University,2008,35(6):1084-1088.

[3]Collin G,Geron E,Lucas J,et al.Fast Antenna Pattern Synthesis Using the Variational Method[J].IET Microwaves,Antennas and Propagation,2010,4(11):1689-1697.

[4]Nakano H,Ogino Y,Yamauchi J.Bent Two-Leaf Antenna Radiating a Tilted,Linearly Polarized,Wide Beam[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2010,58(11):3721-3725.

[5]Nakano H,Ogino Y,Yamauchi J.Bent Four-Leaf Antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2011,10:223-226.

[6]Nakano H,Kirita S,Mizobe N,et al.External-Excitation Curl Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(11):3969-3977.

[7]李思佳,曹祥玉,高軍,等.寬帶超薄完美吸波體設計及在圓極化TB天線RCS縮減中的應用研究[J].物理學報,2013,62(12):124101. Li Sijia,Cao Xiangyu,Gao Jun,et al.Design of Ultra-thin Broadband Metamaterial Absorber and Its Application for RCS Reduction of Circular Polarization Tilted Beam Antenna[J].Acta Physical Sinca,2013,62(12):124101.

[8]Jacobsen S,Rolfsnes H O,Stauffer P R.Characteristics of Microstrip Muscle-loaded Single-arm Archimedean Spiral Antennas As Investigated by FDTD Numerical Computations[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2005,52(2):321-330.

[9]Filipovic D S,Volakis J L.Broadband Meanderline Slot Spiral Antenna[J].IEE Proceedings-Microwaves,Antennas and Propagation,2002,149(2):98-105.

[10]Wang Yawei,Wang Guangming,Zeng Huiyong.Design of a New Meander Archimedean Spiral Antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters,2010,52(10):2384-2387.

[11]Wong K L.Compact and Broadband Microstrip Antennas[M].New York:John Wiley&Sons,2011:273-283.

[12]Nakano H,Satake R,Yamauchi J.Extremely Low-profile,Single-arm,Wideband Spiral Antenna Radiating a Circularly Polarized Wave[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2010,58(5):1511-1520.

(編輯:李恩科)

SAARS microstrip antenna design with an asymmetrical structure and a tilted beam

LI Sijia,CAO Xiangyu,GAO Jun,ZHENG Qiurong,YANG Huanhuan
(School of Information and Navigation,Air Force Engineering Univ.,Xi’an 710077,China)

A circularly polarized microstrip antenna with the tilted beam of 30°through the asymmetrical structure combing the single-arm archimedean spiral antenna with the helix antenna is constructed in order to make the beam tilted.The bandwidth,tilted beam,and radiation characteristics have been improved through the width optimization and coaxial feed line selection.This antenna can realize the directional radiation of circularly polarized microwaves in a definite frequency band and has a bandwidth of 16.7%(for Voltage Standing Wave Ratio(VSWR)＜2,Axis Ratio(AR)＜3 dB and the tilted beam of 30°)in the condition of the vertical aperture external excitation with a coaxial feed line.Simulated and measured results show that this antenna has a wideband,high gain,and tilted beam with circularly polarized microwaves.

microstrip antenna;tilted beam;circularly polarized wave radiation;single-arm archimedean spiral;asymmetrical structure

TN82

A

1001-2400(2014)01-0164-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.029

2012-09-29 < class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2013-09-16

國家自然科學基金資助項目(61271100);陜西省自然科學基礎研究重點資助項目(2010JZ010);陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2012JM8003);空軍工程大學博士研究生創新基金資助項目(20110301)

李思佳(1987-),男,空軍工程大學博士研究生,E-mail:lsj051@126.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.204_025.html