一種新型寬波束雙圓極化天線的設計與仿真

陳玉林

(華東電子工程研究所 合肥 230031)

0 引言

隨著無線通信技術不斷發(fā)展，對天線的性能提出了更高的要求。全球定位系統(tǒng)(GPS)、合成孔徑雷達(SAR)、衛(wèi)星通信、個人通信(GSM 900/DCS1800)等領域，都需要輕重量、低輪廓、制造簡單的寬波束雙圓極化的天線。

四臂正弦天線(即Sinuous天線)和微帶介質天線組合起來可以實現寬波束雙圓極化的功能［1］。相比于文獻［1］與文獻［2］的設計，此單元設計有幾大優(yōu)點:a.Sinuous天線單元的曲線段為阿基米德曲線，更易實現且易于構造和設計，而文獻［1］與［2］中使用的均為較復雜的曲線段。b.在天線中組合使用了微帶介質天線，即通過加寬介質板來實現寬波束輻射。

1 Sinuous天線單元理論分析

1.1 Sinuous天線基本原理

Sinuous輻射單元由介質上兩根或四根甚至更多對稱導體臂在有限空間內相互交錯構成的。正弦曲線由一系列不同長度與旋向的阿基米德曲線段組成。將基本正弦曲線圍繞坐標原點順時針和逆時針各旋轉δ角度，得到兩條曲線，由這兩條曲線圍成的區(qū)域稱為正弦天線的一個正弦臂，兩臂的相角差為180o，當對兩臂進行反相饋電時，電場在垂直于單元面的軸線方向同相迭加，故電場最大值在天線的法線方向，且兩邊均有能量輻射［3-4］。將一個正弦臂繞原點分別旋轉90o、180o、270o便形成了四臂正弦天線 (見圖1)。一般來說，當取δ=22．5o時，四臂單元為一種互補結構(self-complementary)，其輻射機理類似于對數周期天線，只有在齒長度接近于λ/2或λ/2奇數倍的區(qū)域為輻射區(qū)，齒長小于λ/2的區(qū)域為傳輸區(qū)［5］。

Sinuous天線共有四個正弦臂、四個饋電點。對相對兩組正弦臂分別進行等幅、反相饋電，每組正弦臂均產生一個旋轉對稱的雙向輻射的正交線極化波。為了得到圓極化輻射方向圖，可以接入一個饋電網絡，使兩個線極化波束端口產生90o的相移，這樣可以合成左旋或右旋圓極化波［6］。

圖1 四臂正弦天線模型

1.2 微帶介質天線基本原理

在微帶天線中引入介質天線原理，僅對微帶天線的結構稍作改變(延伸其介質層)，形成一種新型寬波束天線—微帶介質天線。該天線在兩主面都有相對較寬的波束。由于它只延伸了微帶天線的介質層，因此該天線基本保持了微帶天線在結構上的優(yōu)點。

圖2 微帶介質天線側視圖

一般介質天線由激勵源和介質棒組成，激勵源一般為同軸線或波導，最大輻射方向在天線的軸向方向。由于介質的相對介電常數比空氣大，在介質中傳播的電磁波在介質和空氣的分界面會產生強烈的反射，形成介質波導，使電磁波沿介質傳播，最后在介質末端輻射出去。介質天線的輻射由激勵源的輻射和介質的輻射合成而成［1］。

通過加寬微帶天線的介質襯底，形成由微帶饋電的介質天線，從而將微帶天線和介質天線組合在一起，使組合后的新天線具有以上兩種天線的輻射特性。當能量饋入天線后，一部分由微帶貼片直接輻射，另一部分沿介質傳播，在其末端輻射，整個天線的輻射由這兩部分的輻射疊加而成。由于微帶天線在法向方向輻射最強，而介質天線在切線方向輻射最強，因此新天線在垂直和水平方向都有較強的輻射，具有很寬的波束，可以在上半空間提供較均勻的覆蓋。

在文獻［2］中對普通微帶天線和微帶介質天線做了比較，結果表明，該方法可以顯著地展寬微帶天線波束，提高低仰角增益［2］。

1.3 Sinuous天線的設計

由上面理論設計出頻率為2.0～2.3GHz的天線。其單臂曲線示意圖如圖5。其結構側視及俯視圖如圖6～7。因為阿基米德天線的極坐標方程式為:r=r0+a(φ-φ0)。其中r為曲線上任意一點到極坐標原點的距離，φ為方位角，φ0為起始角，r0為螺旋線起始點到原點的距離，a為常數，稱為螺旋增長率。Sinuous天線是用很多段阿基米德天線構成的。經過分析，我們得出Sinuous天線第n段曲線的參數方程為:

式中，rn為第n段螺旋線起始點到原點的距離，an為常數，稱為螺旋增長率。我們取δ=22.5o=0．4。其中每條臂一共有10條阿基米德曲線段，其中有五條是另外五條線段旋轉δ而得到的。下面我們給出Sinuous天線單臂曲線的參數方程。如圖3，各段曲線的方程如下:

式中:0≤t2≤n2=1.05;r2=r1+a1·n1;a2=3 。弧3:

式中:0 ≤t4≤n4=1.5;r3=r3+a3·n3;a4=3 。弧5:

圖3 Sinuous天線單臂曲線示意圖

線段0的作用是連接兩個臂。對于線段1、2、3、4來說，它們做成尖削形狀，是為了減小天線臂上電流的終端反射，以減小“截尾”效應。

天線單元由五層構成，第一層為大地板，直徑為150mm。其作用是使Sinuous天線單方向輻射;第二層為空氣介質;第三層為小地板，其作用即為前面提到的展寬波束寬度，小地板的直徑為58mm。第四層為介質板，介質板的介電常數為9.6，其目的為減小天線的尺寸，介質板的直徑為69mm;最上面一層為Sinuous天線貼片層。另外，我們用四根同軸線分別對Sinuous天線的四個臂進行饋電，各端口饋電幅值相等，相位兩兩相差90o，即分別為0o、90o、180o、270o。因為Sinuous天線本身可以產生相互正交的兩個線極化波，根據圓極化波的形成原理，我們知道這種饋電滿足形成圓極化的三個條件。其中饋電幅值相等以及相位兩兩正交可以通過3dB正交電橋來實現。

2 Sinuous天線仿真結果

上面我們已經詳細介紹了天線的設計過程及各參數，下面將給出該Sinuous天線的仿真結果。

圖4 四個端口的駐波比

圖5 天線在xoz面的輻射方向圖

圖6 天線隨頻率f變化的軸比

由上面對天線的仿真結果可以看出，四個端口的駐波比都在1.76以下，這說明天線四個端口的輸入阻抗都在50Ω左右;由天線輻射方向圖可以看出，天線在 -66o≤θ≤65o范圍內，增益gain≥2dB，所以天線實現了寬波束特性。由圖6可以看出，在要求的頻帶內，軸比都在3dB以下。通過圓極化方向圖也可以看出，圓極化性能很好。

圖7 f=2.3Ghz時的圓極化輻射方向圖

3 結論

四臂正弦天線和微帶介質天線結合起來可以實現寬波束與雙圓極化的特性，利用HFSS軟件對此天線進行了優(yōu)化仿真分析，結果表明，所設計的天線在其工作頻帶內有良好的方向圖特性，完全能滿足工程設計的需要。

［1］劉瑩，謝擁軍.多層介質天線罩的數值分析［J］. 電波科學學報，2011，26(3):550-554.

［2］何海丹.新型寬波束圓極化天線_微帶介質天線［J］.電訊技術，2003，(1):48-50，54.

［3］ GONNET P.H.，SHARAIHA A.，TERRET C.Wire Modelization and Optimization of the Sinuous Antenna［J］.IEEE Microwave and Optical Technology Letters.October 1996，13(3):156-160.

［4］TRIPP V，Wang J.H.The Sinuous Microstrip Antenna［C］.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.June 1991，1:52-55.

［5］蔣凡杰.四臂正弦天線設計［J］.現代雷達，2006，28(2):64-67.

［6］任輝，胡紅芬.Sinuous天線［J］.計算機與網絡，2002，(11):50-52.