新型單饋共口徑三頻三極化微帶天線的設計*

李校林 ，魏凡童，張大楊

(1．重慶郵電大學通信新技術應用研究中心，重慶400065;2．重慶信科設計有限公司，重慶400065)

LI Xiaolin1，2* ，WEI Fantong1，ZHANGDayang1

(1．Chongqing University of Posts and Telecommunications，Research Centre for Application of New Communication

Technologies，Chongqing 400065，China;2．Chongqing Information Technology Designing Co．，Ltd，Chongqing Information Technology Designing Co．，LTD，Chongqing400065，China)

圓極化微帶天線具有極化旋向正交性而具備很強的抗多徑干擾能力，因此在工程中得到廣泛應用。近年來，在極化隔離、抗多徑特性要求較高的衛星導航領域，系統對微帶天線提出了多頻段多種極化工作的要求，特別是雙圓極化性能。雙頻雙圓極化天線在不同頻段輻射正交的圓極化波，實現了天線的收發共用從而提高了通信容量。

目前，實現多頻圓極化的方法主要有以下3種:一是單層介質多貼片結構［1－3］，通過各貼片的尺寸來確定頻率點，兩貼片分別工作于主模和高次模，這種結構較為簡單、剖面低且便于工程實現;二是采用雙層或多層貼片的層疊結構［4－7］，各層貼片分別輻射不同頻段的電磁波，這種天線由于多層結構導致剖面增加且加工較為復雜。

在研究比較了這些結構之后，提出一種新型的可以覆蓋北斗導航系統收發3個工作頻段的天線，采用線極化和圓極化多種極化方式組合的形式。其結構為在單個圓形貼片上開環形槽，兩個圓形貼片相互嵌套，內外兩部分貼片分別諧振高低端頻率，從而實現雙頻的性能，在兩部分貼片上分別開成對的微繞凸口，兩對凸口呈正交位置，從而使兩個頻段分別輻射不同旋向的圓極化波;而另一線極化波工作頻段則通過開孔耦合饋電的形式實現。利用單饋形式實現圓極化，由于不需功分器等饋電網絡而結構簡潔、緊湊，其設計難度遠遠超過多點饋電圓極化微帶天線。

依據此設計方法，進行仿真分析與優化后，提出了天線最終結構，給出最佳尺寸，并對天線進行了加工和實測。

1 天線模型及參數設計

1．1 天線結構

根據北斗導航衛星終端收發共用天線的要求，發射天線上行極化方式為左旋圓極化，中心頻率為1 616 MHz，接收天線下行為右旋圓極化，中心頻率為2 491 MHz。

設計的天線結構如圖1所示，由兩層印刷銅箔的介質板、空氣層和接地板構成。上下層介質板均采用相對介電常數為2．65的聚四氟乙烯材料F4B265，介質板半徑均為55 mm。其中上層貼片實現雙頻雙圓極化性能，通過圓形貼片左右對稱位置上突出小矩形產生微擾，通過內外層的微擾量，調節兩諧振點處的圓極化性能。通過對矩形深度L1L2，寬度W1W2W3的優化設計和饋電位置的調節，分離出兩個空間正交、幅度相等、相位差90°的簡并模，實現兩個頻段左右旋圓極化信號。下層貼片實現另一線極化工作頻段，采用在圓形輻射貼片上挖孔，通過與饋電探針的耦合實現，通過調節挖孔的位置和半徑R5，即可實現良好的阻抗匹配。饋電方式采用單個探針底饋結合容性托盤耦合饋電，一層很薄的空氣層的引入，降低了介質層的有效介電常數，降低了微帶天線的Q值，以達到增加帶寬的目的。由于空氣層的引入，饋電探針較長，較大的感抗使得阻抗特性惡化，于是，通過加入容性圓鐵片，可有效地抵消探針的電感，在實現多頻性能的同時，還有效地拓寬了微帶天線的帶寬。這款天線著重實現北斗三頻天線，同時達到良好的輻射特性及圓極化性能。但未詳細研究天線小型化，在后期工作中還需做進一步研究。

圖1 天線結構圖

1．2 參數設置

通過由微帶線空腔模型理論，可初步計算得到天線的貼片尺寸。由腔模理論可知，工作在TMmn模時圓形微帶天線的諧振頻率與貼片尺寸之間的關系為

式中，a為貼片的物理半徑，c為自由空間光速，εe是介質板的介電常數，令Jm(χmn)'=0，χ'mn為m階貝塞爾函數Jm導數的第n個零點，由于該天線諧振在基模 TM11，這里取 χ'11=1．841，fmn為貼片諧振頻率，介質基片上貼片的低頻和高頻諧振頻率分別由R1和 R2確定，R1、R2可通過式(1)初步確定［8－9］。

建立天線模型，經過反復優化調整，通過調節各個參量，確定天線最終的尺寸為:

h=1．5 mm，hair=6 mm，t=11．7 mm，R1=38．2 mm，R2=30．8 mm，R3=31．8 mm，R4=5．1 mm，R5=17．9 mm，R6=36．25 mm，L1=3．4 mm，L2=4．17 mm，W1=7．2 mm，W2=10 mm，W3=6．2 mm。

2 仿真與實測結果

通過調節各個參量，經過仿真優化，得到了比較滿意的仿真結果，根據仿真優化參數，加工出微帶天線的實物，天線上下板子分別打4孔，用塑料支撐柱和塑料螺絲加以固定，如圖2所示。為了驗證仿真結果的準確性，采用Agilent E8803A矢量網絡分析儀進行了電測量，由于實驗條件的限制，未能對天線的方向圖、軸比等電參數進行實際測量，僅測量了天線的S參數，并將實測和仿真結果進行了對比。

圖2 天線樣件

圖3、圖4分別給出了天線三頻點處的回波損耗以及軸比曲線。

圖3 天線在1 268 MHz、1 616 MHz、2 491 MHz三頻點附近頻帶的回波損耗曲線

圖4 天線在1 616 MHz、2 491 MHz兩頻點附近頻帶的仿真軸比曲線

圖3可以得出，天線在1 268 MHz頻段VSWR≤2的阻抗帶寬為8 MHz(約為0．63%)，該頻段阻抗帶寬稍窄，但對于北斗窄帶系統而言依然適用;在1 616 MHz，頻段VSWR≤2的阻抗帶寬為97 MHz(約為5．9%);在2491 MHz頻段阻抗帶寬為120 MHz(約為5．4%)，對于微帶圓極化天線單點饋電形式而言，阻抗帶寬均達到了設計要求。實物加工時，由于焊接操作誤差，基片介電常數的不均勻以及測試環境的影響，導致諧振頻率點略微有所偏移，但均在可控范圍，實測結果基本與仿真吻合，天線匹配良好。

圖4可以得出1 616 MHz及2 491 MHz頻段良好的圓極化性能，1 616 MHz及2 491 MHz頻點最大輻射方向軸比分別為1．5 dB、0．8 dB，其3 dB軸比帶寬分別為26 MHz(約為1．6%)和28 MHz(約為1．2%)，完全滿足北斗導航左右旋圓極化的頻帶收發應用。

圖5給出了3個頻段的增益曲線，在1 268 MHz、1 616 MHz、2 491 MHz 三頻點處，增益分別為5．4 dB、8 dB、8 dB，(1 268 ±5)MHz帶寬內天線的增益約在5 dBi以上，(1 616±70)MHz和(2 491±60)MHz帶寬內天線的增益約在6 dBi以上。

圖5 天線在三頻帶上的增益曲線

圖6 天線在三頻點的仿真方向圖

圖6分別給出了天線在3個頻點處的歸一化輻射方向圖，其中0度方向為天線輻射面法線方向。1 616 MHz頻點，在θ=0°方向上，LHCP電平大于其交叉極化電平21 dB，在 －27°≤θ≤48°，LHCP 電平大于RHCP電平15 dB以上。2 491 MHz頻點，在θ=0°方向上，RHCP電平大于其交叉極化電平21 dB，在 －51°≤θ≤90°，RHCP 電平大于 LHCP 電平15 dB以上。可見，該天線具有很強的抑制交叉極化和抗多徑干擾的能力。

3 結論

提出了一種單點同軸饋電的共口徑三頻三極化微帶天線，可覆蓋北斗系統的3個工作頻段。天線共兩層結構，可分別實現兩個不同旋向的圓極化頻段與線極化頻段。天線在1 268 MHz工作頻段阻抗帶寬為8 MHz(0．63%);在1 616 MHz工作頻段為阻抗帶寬為 97 MHz(5．9%)，3 dB 軸比帶寬為 26 MHz(1．6%);在2 491 MHz工作頻段，阻抗帶寬為120 MHz(5．4%)，3 dB 軸比帶寬為28 MHz(1．12%)。阻抗電測結果驗證了天線實用可行。而天線在1 268 MHz為線極化，在1 616 MHz實現左旋圓極化，在2 491 MHz實現右旋圓極化，因此適用于北斗導航終端收發共用，簡化了系統。且該天線只包含兩層1．5 mm厚度的介質基板和一層很薄的空氣層，具有低造價、低剖面等優點，使應用更加靈活，應用前景廣泛。

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