寬波束圓極化微帶天線設計

姚 菲

(海軍裝備部，西安 710089)

0 引言

全球衛星定位系統(GPS)天線作為飛機導航系統的射頻前端，是整個飛機導航系統的“眼睛”，它的性能直接影響著整個飛機導航系統導航、定位、公共安全/監督、時間標準、繪圖、天氣和大氣信息等性能的優劣。對于機載導航系統來說，低剖面具有中等增益的圓極化微帶天線是尤為重要的[1]。而圓極化微帶天線的寬波束覆蓋比常規圓極化天線更能有效地提高天線接收/輻射能量的覆蓋面積。目前公開發表的文獻大多重點研究天線阻抗帶寬的展寬、增益的提高以及半功率波束寬度的展寬[2-6]，但對于能夠提高天線導航信號有效覆蓋面積的寬3dB軸比波束寬度的天線研究較少[7-8]。本文所要研究的問題正是如何實現天線的寬3dB軸比波束寬度。

1 天線結構

寬波束圓極化微帶天線的整體結構尺寸如圖1所示。

圖1 天線整體結構示意圖

在圖1中，該寬波束圓極化微帶天線介質基板尺寸為75 mm×75 mm×3 mm (0.395λ0×0.395λ0×0.016λ0，λ0為天線中心頻率1.575GHz對應的工作波長)。該天線由三部分組成：金屬地板、介質板和輻射貼片。金屬地板蝕刻在介質板背面，介質板的相對介電常數εr=3.4，損耗角正切值tanδ=0.018。方形微帶貼片蝕刻在介質板正面，尺寸為51 mm×51 mm。與傳統微帶天線實現圓極化的方式不同，代替傳統的三角形切口，該微帶貼片的四個角分別蝕刻了四個半徑不同的扇形切角，其半徑分別為7.9mm、4.1mm、3.9mm、3.2mm。饋電點位于+y軸，距離貼片中心9.5mm。圍繞切口順時針旋轉，使天線右旋圓極化波覆蓋范圍擴大，同時抑制了天線左旋圓極化波，且扇形微擾切口，使貼片上的電流在貼片邊緣流轉平滑，能夠進一步改善天線的圓極化方向圖。通過簡單的切口變換，使天線實現了圓極化特性，還可通過調整扇形切角的半徑展寬天線圓極化波束寬度。

為了更好地了解該天線的工作原理，圖2給出了該寬波束圓極化微帶天線在1.575GHz工作時的電流分布。從圖中可以看出，該貼片上的電流矢量隨時間變化逆時針旋轉。這表明該天線電流滿足右手法則和圓極化時間空間正交的條件，即該天線的極化方式為右旋圓極化。圖3給出了切口半徑不同時，天線最大輻射方向上的軸比。從圖3(a)中能夠得出，當增加r1，貼片有效輻射面積變小，諧振頻率向低頻移動，當r1=7.9mm時，天線諧振，兩個正交模幅度相等、相位相差90°，天線軸比在中心頻點處達到最小。增大或減小r1的大小，天線的軸比值均變差。從圖3(b)～(d)中可以看出，r2、r3和r4對天線軸比特性的影響與r1類似。

圖2天線在1.575GHz工作時的電流分布

(a)r1(b)r2

(c)r3(d)r4

圖3天線軸比隨切口半徑變化曲線

2 天線仿真與測試結果分析

為了驗證天線仿真結果，制作了天線相應的試驗樣機，如圖4所示。

圖5給出了天線電壓駐波比、軸比、增益隨頻率變化的仿真和測試結果圖。

圖4 天線樣機

由圖5可知，在1.556～1.634GHz范圍內，寬波束圓極化微帶天線仿真和測試的電壓駐波比均小于2.0。在1.566～1.579GHz范圍內，天線仿真和測試的軸比小于3.0，增益大于5.9dB，仿真和實測結果較為吻合。

圖6給出了天線工作在1.575GHz時，天線xoz面的仿真和測試軸比曲線。從圖中可以看出，天線仿真的xoz面3dB軸比波束寬度為165°，測試的xoz面3dB軸比波束寬度為147°，由于加工誤差和測試環境不完美導致仿真測試結果相差18°，但與文獻[4]-[6]中常規圓極化天線3dB軸比波束寬度覆蓋范圍不到115°相比，仍滿足天線寬圓極化波束特性。

圖6 天線xoz面的仿真與測試軸比(1.575GHz)

圖7給出了天線工作在1.575GHz時，天線xoz面和yoz的仿真和測試方向圖曲線。從圖中可以看出，天線產生的圓極化波的極化方式為右旋圓極化。當天線工作在1.575GHz時，3dB波束寬度為60°，其最大輻射方向上交叉極化比為-29dB。

3 結論

本文對應用于機載導航系統的一種新型寬波束圓極化微帶天線進行了設計、加工制作和測試。天線實驗樣機的電特性測量結果表明：天線在1.566～1.579GHz工作頻帶內電壓駐波比小于2.0，軸比小于3dB，增益大于5.9dB，帶內增益穩定，3dB軸比波束寬度大于147°，實現了寬圓極化軸比波束寬度的輻射特性，符合機載平臺的應用要求。

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