一種高效率背腔微帶振子陣列天線設計

牛傳峰,張曉沖,李增科

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中華通信系統有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081)

0 引言

當前衛星通信技術和無線通信系統發展迅速，電磁環境日益復雜，有時需要在惡劣環境下對高速目標實施跟蹤和通信，線極化天線無法有效減少多徑效應，會嚴重影響整個系統的性能，而圓極化天線具有極化旋轉性，可以可靠而穩定地工作。目前，對于如何讓天線保持圓極化高增益輻射的同時，還具有寬頻帶、高隔離度和小型化等特點[1-3]，很多學者在這方面開展了研究工作[4-6]。大多數圓極化陣列天線以微帶貼片天線為主，對于形成圓極化的結構形式來說，有的是在輻射貼片上切角[7]，有的是通過開槽[8]、開縫[9]和加枝節[10]等方式來實現圓極化。微帶陣列天線的特點是低輪廓、小型化、低成本、易集成和方便共形等，但它有自身的一些缺點，比如極化隔離低、損耗大和輻射效率低。端口隔離度是極化分集通信系統中的一項很重要的指標，較差的端口隔離度將會嚴重影響通信質量。

針對目前測控領域和衛星通信對圓極化天線的增益、帶寬和端口隔離度等要求，介紹了一種高效率寬頻帶圓極化印刷板微帶振子陣列天線，工作于L/S頻段，天線陣由5個切邊矩形微帶貼片振子輻射單元組成，采用交叉正交激勵改善天線的交叉極化隔離度，采用陣列加背腔的方式提高輻射效率。

1 天線結構設計

1.1 單元結構設計

天線外形結構如圖1所示。

(a)天線單元結構

(b)天線5單元組陣結構

(c)天線5單元組陣三維圖圖1 外形結構Fig.1 Shape structure

輻射單元由4個矩形貼邊印刷板微帶振子組成，利用正交雙線極化激勵實現對輻射單元的饋電，探針可采用印制板敷銅結構實現。5單元組成的天線陣利用功分網絡實現5個單元的能量合成和外圍4個單元組成差路信號，用于跟蹤目標。背腔結構保證了天線的定向輻射，探針正交放置，實現正交雙線極化激勵，匹配盤和微帶陣子之間留有間隙，調整匹配盤半徑和間隙大小可改善天線的駐波比，實現調諧。如圖1(a)所示，輻射單元的尺寸為L1=34.91 mm，L2=20 mm，L3=17.38 mm，介質板與圓柱底座支撐處的小圓貼片半徑R1=4 mm，輻射單元的寬度W=77.58 mm，輻射單元距離背腔底面的距離H2=15.47 mm，匹配盤的半徑R2=15.47 mm，距離輻射單元的高度H1=3 mm。天線陣結構中，每個輻射單元距中心輻射單元的間距為D=106.25 mm，選擇合適的單元間距可獲得較高的組陣效率。5單元天線陣呈十字交叉形式排列布陣，減小整體尺寸的前提下，在天線陣的下方增加一個半徑盡可能小的背腔，以此來減小邊緣繞射，提高天線的輻射效率。

采用連續相位旋轉法使得周圍4個陣元饋電相位依次相差90°，可以相互抵消高次模，降低陣元間的相互耦合，增強主極化分量，降低交叉極化分量，從而更好地改善天線軸比，實現圓極化輻射。背腔的半徑R3=230 mm，背腔外圍高度H3=37.98 mm。

天線的具體結構參數如表1所示。其中L1為陣子片的寬度，L2為陣子片未切邊長度，L3為陣子片切角斜線長度，W為整體輻射單元的寬度，R1為介質板與圓柱底座支撐處的小圓貼片半徑，R2為匹配盤的的半徑，R3為背腔的半徑，D為每個輻射單元距中心輻射單元的間距，H1為匹配盤的距離輻射單元的高度，H2為輻射單元距離背腔底面的距離，H3為背腔外圍高度。

表1 天線結構參數 mm

1.2 仿真分析

天線的工作頻段為1.3～2.4 GHz，利用3D電磁場仿真軟件Ansoft HFSS 18進行全波分析和仿真優化設計。由于此陣列天線要充當反射面天線的饋源，因此在饋源艙半徑為250 mm的前提下，進行了各結構參數的優化調整，最終得到很好的結果。天線陣駐波比(VSWR)仿真結果如圖2所示。

圖2 VSWR仿真結果Fig.2 Simulation results of VSWR of antenna array

由圖2可以看出，在頻帶范圍內VSWR不大于1.541，絕對帶寬達到1.1 GHz，相對帶寬達到59.5%，具有很好的阻抗帶寬。

天線軸比仿真結果圖3所示。

圖3 天線軸比仿真結果Fig.3 Simulation results of antenna axial ratio

由圖3可以看出，中心頻率軸比為0.177 9 dB，在59.5%的頻率帶寬內，左右圓極化的軸比均在2 dB以下，表征了天線具有很好的極化效率和極化純度。

在頻帶內，選取了高(2.4 GHz)、中(1.85 GHz)、低(1.3 GHz)三個頻點，計算出天線的和方向圖與差方向圖以及頻帶內的增益曲線。頻帶內頻點和方向圖如圖4所示。

在工作頻帶內，該天線于Phi=0° ，Phi=90°兩個平面產生的方向圖均對稱，且產生穩定的圓極化輻射。

(a)1.3 GHz和方向圖

(b)1.85 GHz和方向圖

(c)2.4 GHz和方向圖圖4 頻帶內頻點和方向圖Fig.4 Frequency point and pattern in frequency band

頻帶內頻點差方向圖如圖5所示。反映出該天線于Phi=0° ，Phi=90°兩個平面產生的差方向圖均對稱，且差波束零深均在-30 dB以下。

(a)1.3 GHz差方向圖

(b)1.85 GHz差方向圖

(c)2.4 GHz差方向圖圖5 頻帶內頻點差方向圖Fig.5 Frequency difference pattern in frequency band

2 圓極化特性分析

雙極化電平和端口隔離度是圓極化天線的一項重要指標。實際工程中，由于陣列間輻射單元會產生相互耦合，如何有效減小耦合，降低端口隔離度是關系一個圓極化天線是否可用的一項重要參考條件。

端口隔離度如圖6所示。通過調節陣元之間的間距和背腔半徑來減少陣元之間的耦合，通過上下十字交叉饋線激勵來減小饋線寄生效應，從而改善交叉極化端口隔離度。

圖6 端口隔離度Fig.6 Port isolation

由圖6可以看出，1.3 GHz時交叉極化電平為-38.9 dB；1.85 GHz時電平為-43.3 dB；2.4 GHz時電平為-34.7 dB。兩極化端口隔離度小于-38 dB，遠遠滿足工程-25 dB的指標要求。

3 增益和效率分析

由于研制需求，將其直徑設為4.5 m，焦徑比為0.42的反射面天線的饋源使用，并用GRASP10.0進行整體天線的仿真，得到天線增益曲線。天線增益隨頻率變化曲線如圖7所示。

圖7 天線增益隨頻率變化曲線Fig.7 Antenna gain versus frequency

由圖7可以看出，在頻帶內，各頻點增益均大于33 dB，進而得到1.3 GHz時效率為54%，1.4 GHz時效率為66%，其余頻點達到70%以上，保證了天線在較寬的頻帶內具有較高的效率。

4 結束語

設計了一種工作于L/S波段寬帶高效率雙圓極化背腔印刷板微帶振子陣列天線，具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，仿真結果表明，該天線在工作頻帶內，絕對帶寬達到1.1 GHz，相對帶寬達到59.5%，交叉極化電平小于-34 dB，端口隔離度小于-38 dB。此外，天線具有良好的圓極化特性和較高輻射效率。此天線作為反射面天線的饋源，在測控領域和衛星通信系統中均具有良好的工程應用前景。