基于小型化天線的饋電網絡研究

劉高輝，劉 偉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

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基于小型化天線的饋電網絡研究

劉高輝，劉 偉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

針對現有的北斗系統B3頻段接收天線整體接收設備小型化的問題，需要相對應的小型化圓極化饋電網絡。提出了一種緊湊型結構的饋電網絡，該饋電網絡采用雙層結構和威爾金森功分器，在面積上進行壓縮，使得直徑僅有45 mm，中心頻率1.268 GHz，帶寬為300 MHz，四端口相位依次滯后0°、90°、180°、270°。該饋電網絡結構緊湊，面積小，非常適合應用在圓極化四臂螺旋天線饋電網絡中。

北斗系統;饋電網絡;小型化;四臂螺旋天線

0 引言

近年來，由于衛星導航事業的迅猛發展，四臂螺旋天線因為其良好的圓極化、寬波束、相位穩定等特性被應用于航天航空一些特定的領域[1]。常用的導航天線四臂螺旋天線因為尺寸相對較大，不能滿足一些小型化接受設備的應用要求，因此，四臂螺旋天線小型化和饋電網絡小型化一直是眾多學者的研究對象[2-7]。

同時，伴隨著四臂螺旋天線小型化產品的出現，饋電網絡小型化面臨著重大的挑戰。饋電網絡一般采用兩種形式，一種是集成芯片的形式饋電，另一種是微帶線饋電。集成芯片因為價格高的原因，很多學者會采用微帶線的方式進行饋電，微帶線需要印制在介質基片上，要實現相位依次滯后0°、90°、180°、270°，需要對微帶線的長度進行調整，這樣就造成饋電網絡面積變大，與小型化的四臂螺旋天線不能同時實現小型化，制約了其發展。

針對這一現實問題，本文提出了一種新型結構的饋電網絡，該饋電網絡基于威爾金森功分器的原理[8-10]，再對其結構進行一定的改變，使得饋電網絡在面積上有了很大一部分的縮減。這對于適應小型化的四臂螺旋天線有了進一步的發展。

1 威爾金森饋電網絡理論

威爾金森功分器因為其無耗的特性，被廣泛地應用于功分電路中，它可以實現任意的功分比，最基本的是等分情況。

傳輸線結構的威爾金森功分器原理圖[11]如圖1所示，總輸入端口的特性阻抗為Z0，兩端分支結構的特性阻抗為Z1和Z2，電長度為λ/4，為了保證威爾金森功分器的傳輸特性，需要注意以下3點：

圖1 等分威爾金森功分器電路圖

(1)輸入端無反射；

(2)兩個輸出端電壓相等；

(3)輸出端功率比值為任意指定值1/k2。

由上述3點可得：

(1)

其中U2=U3，由式(1)可以得出功分器各部分傳輸線的阻抗關系。由傳輸線理論得：

(2)

設R2=kZ0，則Z3、Z4、R3的計算公式為：

(3)

取k=1，即得到等分的3 dB Wilkinson功分器，其中：

R2=R3=Z0

(4)

(5)

為了保證隔離度，在兩個輸出端口加入電阻R=2Z0。

2 饋電網絡建模

本文設計的饋電網絡的整體結構采用兩層板的結構[12]，下層結構主要對信號產生一分二的輸出，輸入端加了阻抗匹配段，輸出相位分別為0°和180°；上層結構主要對兩路信號再分為四路，產生0°、90°、180°、270°的四路信號，實現圓極化要求。介質板材質選用介電常數為3.66的羅杰斯4350板材，大介電常數的材質對模型的體積有一定的縮減，但是，對其反射系數和隔離度有一定的影響。圖2為模型的整體結構，圖3為模型的側視圖。饋電網絡印制在半徑為22.5 mm的圓盤上，體積較原始體積能縮減將近一半。

圖2 雙層的饋電網絡結構圖

圖3 饋電網絡的側視圖

3 仿真分析

仿真由Ansoft公司高頻結構仿真軟件HFSS 13.0完成，得到S11、駐波，從S11圖(圖4)可以看出，回波損耗<-10 dB的帶寬(BW)大約為200 MHz，中心頻率點的損耗為-15 dB。

圖4 S11圖

如圖5所示，端口2與端口3的相位差為90°。

圖5 端口2與端口3相位差

如圖6所示，端口2與端口4的相位差為180°。

圖6 端口2與端口4相位差

如圖7所示，端口2與端口5相位差為270°。

圖7 端口2與端口5相位差

由圖8可以看出，在中心頻率附近輸入端口到4個輸出端口的傳輸系數基本保持一致，信號經過輸入端口后可以平均分配到4個輸出端口，實現平衡輸出，反射較小，結果符合設計指標。本結構中，得到的插入損耗并不算小，一方面是因為所選擇的介質板的損耗較大；另一方面是從輸入端口到輸出端口的走線過長，在實際應用中，可以選擇較小損耗的介質板材料或者縮短走線來減小插入損耗。

圖8 4個輸出端口插入損耗的仿真結果

4 結論

本文提出一種新型結構的圓極化饋電網絡，實現了為小型化四臂螺旋天線饋電的要求，在北斗B3頻段，相比國內外小型化的饋電網絡，此相移網絡直徑為45 mm，有了明顯的縮減，結構更加緊湊。同時，具有良好的前后比和輻射特性，非常適合GPS、北斗衛星系統和手持設備應用需求。本文著重分析了功分網絡的性能和結構，將仿真結果和實際需要結合進行分析，達到實際應用的需求，顯示了很好的匹配特性。該饋電結構還需要在阻抗匹配、降低成本和工作環境對其影響方面進行研究，從而促進其在導航市場的應用。

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Research on feed network based on miniaturized antenna

Liu Gaohui, Liu Wei

(School of Automation and Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In order to solve the problem of the miniaturization of the whole receiving equipment of the B3 band receiving antenna in the existing Beidou system, the corresponding small circular polarization feed network is needed. This paper presents a compact structure of the feed network. The feed network adopts a double layer structure and Wilkinson power divider to compress the area, so that the diameter is only 45 mm, the central frequency is 1.268 GHz, bandwidth is 300 MHz, four port phase lag in turn 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees. The proposed feed network is compact in structure, small in size, and is very suitable for using in circular polarized quadrifilar helix antenna feed network.

Beidou system; feed network; miniaturization; quadrifilar helix antenna

TN828.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.025

劉高輝，劉偉.基于小型化天線的饋電網絡研究[J].微型機與應用，2017,36(13)：82-84.

2017-01-15)

劉高輝(1968-)，男，博士，副教授，主要研究方向：天線設計、通信信號處理、雷達信號處理等。

劉偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：天線設計。