一種高增益寬波束雙圓極化微帶天線的研究*

張書(shū)君　李海峰

(海軍駐北京地區(qū)某軍代室　北京　100841)

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一種高增益寬波束雙圓極化微帶天線的研究*

張書(shū)君李海峰

(海軍駐北京地區(qū)某軍代室北京100841)

摘要設(shè)計(jì)了一種高增益、寬波束雙圓極化的微帶天線單元，給出了微帶天線單元的幾何結(jié)構(gòu)，微帶天線通過(guò)兩個(gè)威爾金森功分器作為天線的饋電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙圓極化。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到了左旋圓極化增益和右旋圓極化增益、端口特性等性能，并對(duì)設(shè)計(jì)的微帶天線進(jìn)行加工實(shí)測(cè)，對(duì)天線的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比較，兩種結(jié)果比較吻合 。

關(guān)鍵詞雙圓極化; 高增益; 寬波束; 威爾金森功分器

Class NumberTN821

1引言

早在1953年，微帶天線的概念和基本模型就被提了出來(lái)，并在1955年就出現(xiàn)了相關(guān)專利，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，微帶天線并未得到重視與發(fā)展[1]。到了20世紀(jì)70年代，隨著印刷電路板工藝的發(fā)展[2]、相關(guān)電磁理論的完善發(fā)展以及低剖面的應(yīng)用需求，微帶天線得到了極大的關(guān)注，微帶天線的設(shè)計(jì)理論以及設(shè)計(jì)方式得到了完善和發(fā)展[3]。

微帶天線憑借著尺寸靈活、方便小型化、低剖面、極化特性靈活實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)勢(shì)[4]，在航空航天領(lǐng)域、民用通信領(lǐng)域、移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的重視，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。

本文設(shè)計(jì)了一種雙層貼片、四饋點(diǎn)的雙圓極化微帶天線，天線采用兩個(gè)等功分、相移180°的威爾金森功分器對(duì)天線進(jìn)行饋電，文中給出了雙圓極化微帶天線的仿真性能等指標(biāo)，并對(duì)天線進(jìn)行了加工和測(cè)試，對(duì)仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

2微帶天線單元結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的雙層貼片、四饋點(diǎn)雙圓極化微帶天線其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出微帶天線由下層輻射貼片和上層耦合貼片組成，饋電方式采用四點(diǎn)饋電，通過(guò)饋電點(diǎn)的不同饋相組合實(shí)現(xiàn)雙圓極化；在下層輻射貼片上開(kāi)有八個(gè)槽，開(kāi)槽既可以調(diào)節(jié)圓極化特性，也可對(duì)駐波特性進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化。

為了將天線進(jìn)行小型化，采用了高介電常數(shù)的介質(zhì)。下層輻射貼片半徑為14.5mm，上層耦合貼片半徑為24.6mm，兩層間貼片高度差5mm，四周電壁寬度為60mm。

圖1　天線結(jié)構(gòu)示意圖

為了擴(kuò)寬天線單元的3dB波束寬度，通過(guò)研究?jī)?yōu)化增加了圖1中所示的電壁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)高度為17mm，圍在耦合貼片四周；該結(jié)構(gòu)能夠有效地?cái)U(kuò)寬微帶天線的3dB波束寬度。

圖2所示為該微帶天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，該饋電網(wǎng)絡(luò)采用了兩個(gè)威爾金森功分器，均為等功分、相移180°的功分器，跨接電阻為100歐；該功分器可以保證在要求的帶寬內(nèi)保持良好的駐波特性。

圖2　饋電網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)在HFSS中建模并仿真，得到了微帶天線單元的端口仿真結(jié)果和增益仿真結(jié)果。

圖3為單元天線兩個(gè)端口的駐波特性仿真結(jié)果圖。

圖3　端口的駐波特性

由圖3可看出端口1的VSWR在2.2GHz～2.3GHz范圍內(nèi)小于1.7，在2.2GHz，2.25GHz，2.3GHz三個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)值分別為1.61，1.21，1.57；端口2的VSWR在2.2GHz～2.3GHz范圍內(nèi)小于1.6，在2.2GHz，2.25GHz，2.3GHz三個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)值分別為1.53，1.15，1.47。

圖4為天線整體饋電端口隔離度仿真圖，由圖可知天線整體的端口隔離度控制的比較好，在2.2GHz～2.3GHz范圍內(nèi)S21均小于-29dB，S21在2.2GHz，2.25GHz，2.3GHz三個(gè)頻點(diǎn)的分別為-29.5dB，-31.9dB，-34.9dB。

圖4　饋電端口的隔離度

圖5為微帶天線單元的右旋圓極化增益和左旋圓極化增益，由圖可看出，RHCP增益和LHCP增益分別為6.1dB和6.2dB。

圖5　LHCP與RHCP增益方向圖

圖6所示為天線在2.25GHz時(shí)的二維增益方向圖，主極化為L(zhǎng)HCP，交叉極化為RHCP。從圖中可以看到φ=0°、45°、90°、135°的四條曲線基本重合，且交叉極化抑制比較理想，達(dá)到-45dB。天頂增益達(dá)到最大的6.1dB，其3dB波束寬度為±47°。

圖6　二維增益方向圖

圖7所示為天線在2.25GHz時(shí)的二維增益方向圖，主極化為RHCP，交叉極化為L(zhǎng)HCP。從圖中可以看到φ=0°,45°,90°,135°的四條曲線基本重合，且交叉極化抑制比較理想，可達(dá)-40dB。天頂增益達(dá)到最大的6.1dB，其3dB波束寬度為±47°。

圖7　二維增益方向圖

3微帶天線的加工實(shí)測(cè)

針對(duì)上述所設(shè)計(jì)的雙圓極化微帶天線進(jìn)行了實(shí)物加工，并得到實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了微帶天線單元的實(shí)際性能指標(biāo)。

圖8所示為微帶天線單元的加工實(shí)物，圖8(a)為正面俯視圖，可看到上層的耦合輻射貼片和周圍的電壁結(jié)構(gòu)；圖8(b)為底部俯視圖，可以看到兩組威爾金森功分移相網(wǎng)絡(luò)。

(a)正面俯視圖

(b)底部俯視圖

圖9所示為微帶天線單元兩個(gè)端口的駐波特性。從圖中可以看出單元實(shí)測(cè)駐波比整體向低頻偏移，兩個(gè)端口在中心頻點(diǎn)2.25GHz處駐波分別為1.48、1.56，仍然滿足要求。

圖9　天線單元的饋電端口特性

圖10所示為微帶天線單元的左旋圓極化二維增益圖，由圖可看出最大增益為4.1dB，交叉極化抑制為24dB。

圖10　左旋圓極化增益圖

圖11所示為微帶天線單元的右旋圓極化二維增益圖，由圖可看出最大增益為3.8dB，交叉極化抑制為21dB。

圖11　右旋圓極化增益圖

將設(shè)計(jì)的微帶天線的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較如表1所示。

比較天線端口特性的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)天線的實(shí)測(cè)駐波整體向低頻偏移。這是由于天線采用高介電常數(shù)介質(zhì)進(jìn)行小型化，可能是受到加工過(guò)程中使用的介質(zhì)材料參數(shù)小于標(biāo)稱值以及加工工藝和焊接技術(shù)的影響。但是兩個(gè)端口在中心頻點(diǎn)2.25GHz處駐波符合設(shè)計(jì)VSWR<2的要求。增益和交叉極化抑制實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)仿真結(jié)果指標(biāo)偏低，但仍在設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。

表1　微帶天線仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種雙圓極化、雙層貼片形式的微帶天線單元，滿足寬波束、高增益的特點(diǎn)，并給出了模型以及仿真結(jié)果。最后對(duì)該微帶天線單元進(jìn)行了加工并測(cè)試,并對(duì)仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)指標(biāo)在設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該種微帶天線單元的可用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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A High-gain and Wide-beam Dual Circular Polarization Microstrip Antenna

ZHANG ShujunLI Haifeng

(Navy Representative Office in Beijing，Beijing100841)

AbstractIn this paper, a high-gain wide-beam dual circular polarization microstrip antenna element is designed through simulation, the geometry of the microstrip antenna element is given, two Wilkinson power divider as an antenna feeding structure to achieve dual circular polarization. microstrip antenna LHCP gain and RHCP gain and other properties are obtained by computer simulation, and the microstrip antenna is designed, manufactured and tested, simulation results and test results are analyzed and compared.

Key Wordsdual circular polarization, high-gain, wide-beam, Wilkinson power divider

* 收稿日期：2015年11月6日,修回日期：2015年12月22日

作者簡(jiǎn)介：張書(shū)君，女，碩士研究生，工程師，研究方向：裝備管理。李海峰，男，助理工程師，研究方向：裝備管理。

中圖分類號(hào)TN821

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.017