小曲率錐臺共形微帶圓極化天線陣列設計

姚鳳薇

(上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

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小曲率錐臺共形微帶圓極化天線陣列設計

姚鳳薇

(上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

在電小尺寸錐臺上，設計并實現了一款工作于全球定位系統(GPS)L1頻點和北斗衛星導航系統B1頻點的錐臺共形水平全向圓極化微帶天線陣。采用高頻結構仿真(HFSS)軟件進行仿真，優化共形天線帶寬及其圓極化性能。加工了實物天線陣樣機，測試結果表明，該天線陣在(1.32～2.0)GHz頻段內駐波比≤2，在GPS L1頻點和北斗B1頻點處，水平全向增益最大值分別為-0.7dB和-0.9dB，增益不圓度小于2.1dB。實測結果證明，該天線具有良好的水平全向圓極化輻射性能，滿足工程需要。

共形; 圓極化; 天線陣列

微帶天線具有剖面低、質量輕、易于批量生產、便于與曲面共形等優點[1-3]，可以充分地利用載體表面空間制成與各種航空、航天、艦船及地面車輛等載體表面共形的結構。制成后的表面共形結構具有保持載體良好的氣動性能、節約空間等優點，在導航、通信等領域具有廣闊的應用前景[4-10]。因此，共形微帶天線作為微帶天線的重要分支，一直是人們研究的熱點。

目前，衛星導航信號多為工作在L波段的圓極化信號。一般認為，當共形安裝的載體半徑大于1個波長時，可忽略載體曲率對微帶天線的影響，采用平面模型[11-12]；但當載體尺寸為電小尺寸，將天線彎曲共形于錐臺表面時，天線性能受載體的表面材質和形狀影響不可忽略，尤其曲率半徑變化對天線圓極化性能的影響更為明顯，會發生一定的頻率偏移[13-15]。

本文選取雙饋點的微帶貼片天線單元，采用基于有限元法的電磁數值計算和工程調試相結合的方法，設計實現了三單元的電小尺寸錐臺上的共形全向圓極化導航天線陣列，具有較寬的帶寬和不大于3.5dB的增益不圓度。加工天線樣品并進行測試，實測結果表明，該天線在全球定位系統(GPS)L1和北斗衛星導航系統(簡稱“北斗”)B1頻點上具有良好的輻射性能，滿足工程應用需要。

1　雙饋點圓極化天線單元設計

單饋點的微帶圓極化天線帶寬約為1%，為了同時覆蓋GPS和北斗兩個工作頻段，本文設計采用了如圖1所示的雙饋點圓極化微帶結構。該結構利用了2個饋電點來激勵一對極化正交的簡并模，再通過威爾金森功率合成網絡來保證圓極化工作條件，即兩模振幅相等、相移90°。在功率合成網絡中添加了電阻，既提高了2個饋電點間的隔離度，又保證了天線單元在工作頻帶內具有很好的阻抗及軸比特性。該雙饋點天線單元軸比帶寬寬，雖然威爾金森功率合成網絡中添加的電阻會減小天線增益2dB左右，但是，輻射特性仍滿足工程應用的要求。

由于需要與最大口徑D=120mm的錐臺共形安裝，經過比較選擇了介電常數為2.2，厚度為0.508mm的介質基板。圖1所示的圖形印制在介質基板的一面，另一面為金屬地。

圖1　平面雙饋點圓極化天線示意圖Fig.1　Planar structure of dual-feed antenna unit

圖2為天線中心頻率E面和H面方向圖。由圖可見，該平面天線為單向輻射，兩波束寬度分別為77°和83°，因此，當3個貼片共形于錐臺一周時，波束會出現一定起伏。

圖2　平面天線計算方向圖Fig.2　Simulated radiation pattern of planar antenna unit

2　小曲率錐臺共形天線陣列設計

錐臺載體最大半徑為60mm，錐體高150mm。圖3為采用上述天線結構的錐臺面共形結構示意圖。為了實現較好的全向輻射，設計中采用了并聯的三單元陣列形式，如圖4所示，功分網絡為簡約的一分三路均勻分布結構形式。為了保證饋電點到每個單元的幅度相同，每個與單元連接的微帶線均選擇相同的寬度，饋點到每個單元的微帶線長度相同或相差1個波長。

圖3　錐臺共形天線陣列示意圖Fig.3　Structure of conical conformal array

圖4　共形天線陣列展開平面示意圖Fig.4　Planar structure of conical conformal antenna array

經計算，天線與載體共形后，諧振頻率向高端偏移，表面電流發生變化。為了改善天線陣單元的工作頻段的圓極化性能，分別利用高頻結構仿真(High Frequency Stucture Simulator, HFSS)軟件對天線寬邊、長邊、功率合成網絡進行仿真分析，最終得到如圖5所示的駐波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)和軸比計算曲線。由圖可見，在1.33～2.10 GHz頻段內，VSWR≤2，而軸比小于3dB的帶寬為360MHz(即1.33～1.69GHz)，有效地覆蓋了GPS L1頻點(1.575GHz)和北斗B1頻點(1.562GHz)。

圖5　駐波和軸比計算曲線Fig.5　Simulated VSWR and axial-ratio curve

圖6為計算得到的中心頻點歸一化方向圖。由圖可見，天線呈現較好的全向輻射特性，軸向增益不圓度為2.1dB。

圖6　水平向計算方向圖Fig.6　Simulated radiation pattern in horizontal direction

3　共形天線陣列測試結果

根據計算結果加工了實物，并對其性能進行測量。天線駐波仿真曲線與實測曲線基本吻合，實測曲線略偏向低頻，在1.32～2.0 GHz頻段內VSWR≤2，同時覆蓋GPS L1頻點和北斗B1頻點，這主要是由于在測試時引入了SMA接頭，這在仿真計算時未予考慮。

采用標準右旋圓極化天線對天線樣機進行測試比較，天線在GPS L1頻點(1.575GHz)的水平方向圖如圖7所示。由圖可見，天線周向最大增益為-0.7dB，水平向最小增益為-2.8dB，不圓度為2.1dB。而實測增益較計算得到的最大增益小了約0.5dB，這主要是由兩部分引起的：① 介質板本身的損耗；② 對共形微帶天線測量時，最大增益的校準存在一定的誤差，且在較低頻率下，天線測試受環境的影響較大。

天線在北斗B1頻點(1.562GHz)的測試曲線與圖7基本相同，增益略低了0.2dB，這里不再贅述。

圖7　GPS L1頻點測試水平向方向圖Fig.7　Measured radiation pattern in horizontaldirection at GPS L1 frequency

根據上述分析可見，駐波仿真結果與測量結果吻合良好，方向圖的仿真結果和實驗結果有一些差異但也大致吻合。

4　結　語

本文設計了一款小曲率錐臺共形的全向圓極化微帶天線陣列。實測結果表明，該天線在(1.32～2.0)GHz頻帶內VSWR≤2，在GPS L1和北斗B1頻點處，水平全向增益最大值分別為-0.7dB 和-0.9dB，增益不圓度≤2.1dB，具有良好的水平全向圓極化輻射性能，對圓極信號有良好的接收能力，滿足工程實際應用需求。

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Design of Conical Conformal Circular Polarized Antenna Array on Electrically Small Sized Cone

YAO Fengwei

(School of Electronic Information Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

A conical conformal circular polarized (CP)antenna array on an electrically-small sized cone is presented for the GPS L1 frequency (1.575GHz)and BeiDou B1 frequency (1.562GHz)to realize omni-radiation in horizontal direction.Simulation results of standing wave ratio and radiation patterns are presented by using high frequency structure simulator(HFSS).The measured results show that voltage standing wave ratio(VSWR)is less than 2 in the band of 1.32GHz～2.0GHz, the maximum CP gain of the horizontal direction is-0.7 in L1 frequency point and-0.9dB in B1 frequency point，and the out of roundness of the radiation pattern is less than 3.5dB.It shows the antenna has good CP omni-radiation performance in horizontal direction, which can meet the demand of engineering use.

conformal; circular polarization; antenna array

2015-05-06

國家自然科學基金項目資助(61201116)

姚鳳薇(1979-)，女，講師，博士，主要研究方向為電磁場與微波天線，E-mail：jojoyao@163.com

2095-0020(2016)04-0197-04

TN 822.4

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