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标题: 一种宽带双圆极化微带天线 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 17:12
标题: 一种宽带双圆极化微带天线
1  序言

随着无线通信、测控、电子侦察等的发展，圆极化的以良好的传播特性（如抑制雨雾干扰），获得了广泛的应用，多种多样的圆极化天线相继问世。卫星测控系统中常用的圆极化天线主要有螺旋天线和微带天线两种基本天线形式。

圆极化螺旋天线技术成熟应用广泛，通过选择适当的物理尺寸可以形成不同的辐射方向图来满足不同空间应用需要。但螺旋天线几何尺寸要比微带天线大很多，螺旋天线的高度一定程度上制约了他在星载测控领域的应用。微带天线是近几年来逐渐发展起来的一种新型天线，其重量轻、剖面低、并易于和安装载体共形。为了让微带天线具有宽频带特性，在微带天线设计中相继采用了许多新的设计方法，如缝隙耦合馈电技术、采用探针耦合馈电技术、采用多层辐射元技术等。

虽然采用寄生单元、层叠辐射单元等方法可以使微带天线具有较宽的频带特性，但这种形式的微带天线存在尺寸过大、容易激励起高次模导致极化不纯、结构复杂导致可靠性不高等缺点。缝隙耦合馈电微带贴片天线、探针耦合馈电微带贴片即可以实现低剖面结构，又可以拓宽微带天线的工作频带，既可以采用单缝(探针)馈电实现单极化，也可以采用双缝(探针) 实现双极化。同时多缝(探针)馈电技术可以使辐射元上的电流分布更加均匀，可以使天线方向图更加对称从而可以提高天线的辐射效率，增加增益。本文介绍的就是一种用于S波段的两点探针馈电的宽带、双圆极化空气微带天线。

2  设计分析

微带天线主要有两种基本的馈电方法:单馈点法和多馈点法。单馈点的圆极化法一般都是窄频带单极化的，本文介绍的双点探针馈电的空气微带天线具有很好宽带特性，微带天线单元采用圆形贴片结构，两个馈电点的相位差90度，两个馈电探针与90度电桥连接，90度电桥的设计为多节的，从而实现宽带的特性。天线的设计过程中采用了HFSS和ADS等电磁场仿真辅助设计软件。

2.1  两点探针馈电的圆极化微带天线

两点馈电的宽带双圆极化微带天线如图1所示，包括天线罩的外型尺寸直径小于10cm，高度小于3cm。辐射单元采用圆型辐射贴片，采用带有激励圆盘的馈电棒进行激励，两馈电点的激励相位差为90度，改变激励相位可以实现不同形式的圆极化。相对于直接连接馈电的贴片天线，采用带有激励圆盘的馈电棒耦合激励的方法可以在较宽的频带范围内使天线具有良好的阻抗匹配。

辐射贴片的半径R决定于中心频率f0，通过优化探针激励圆盘的半径r及空气微带天线单元的厚度S1等其它相关参数可以在宽的频带内实现所需要的天线辐射特性。通过优化探针激励圆盘与金属贴片间距S2及馈电点的位置d等参数可以调节天线的阻抗匹配特性。

图1 两点馈电的宽带圆极化微带天线

2.2  宽带馈电网络设计

为了实现双圆极化、收发共用一个天线，采用印刷式3dB电桥的方法可以实现并且根据需要能和天线集成设计，能确保天线具有小型化的结构和轻重量。单节的3dB电桥带宽较窄，利用多枝节的方案可以拓展带宽，同时整个馈电网络的损耗也是制约天线增益的主要因素之一。因此，如何在工作的宽频带内设计等幅和期望的相位输出的平面印刷式、低损耗馈电网络是该天线设计中的关键内容之一。

由于采用三枝节的90度电桥方案，如图2所示，用ADS软件进行优化设计，相对于常规印刷式3dB电桥，从后面的结果可以看到采用级联形式的3dB电桥可以大大拓宽其工作频带，保证两个输出端口在较宽的频带内具有相等的功率输出和稳定的相位差，输入口一和输入口二分别连接接收或发射机，可以实线两种不同的圆极化。

图2 90度电桥示意图

3  仿真和测试结果

以S频段双圆极化微带天线为例进行了仿真设计、实物加工和电性能测试，并对仿真和测试的数据进行了比较分析。天线的设计尺寸为d=24.2mm，R=31.6mm，r=5mm，S1=14.1mm，S2=2.6mm，h2=1mm。天线材料选用铝合金，黄铜，天线罩材料为玻璃钢，介电常数约为3.8。辐射贴片和反射地板间采用绝缘材料固定支撑，为了便于调试，初始设计时电桥没有和天线进行一体化设计，电桥微波板选用Rogers，介电常数2.5。

图3为仿真的天线方向图，可以看出这种激励方式的天线具有较宽的带宽，20%带宽内6dB增益的波束覆盖角度可以达到+/-300，0dB增益的波束覆盖角度至少可以达到+/-600。天线最大增益约8dB。从天线的辐射方向图可以看到，方向图的均匀对称性不是很理想，如果要追求更好的对称性可以通过增加激励的探针数来实现。图5、图6为电桥的仿真曲线，可以看出其在超过20%带宽内有很好的幅相特性，两个输出端口的幅度差小于0.2dB，相位差小于2度。

图3 天线主极化/交叉极化辐射方向图（0.9f0/f0 /1.1f0）

图4为天线实物照片，天线单元安装在一铝合金支架顶部，90度电桥装在支架内侧壁，天线与电桥间用等相的两根电缆组建连接。在半开口的简易微波暗室对天线进行了方向图测试，图7为测试的天线增益方向图，图8为天线驻波比测试结果。

图4 天线实物照片

图5 电桥输出端口的幅度分布（仿真结果）

图6 电桥两输出端口的相位差（仿真结果）

从实测的天线增益方向图可以看到天线的实测增益比仿真数据要小0.6dB，主要由于仿真数据没有考虑电桥损耗及连接电缆的损耗。通过测试和计算，馈电总损耗约0.5dB，因此测试的最大增益与仿真结果是比较一致的。

图7 天线的辐射方向图实测结果

图8 天线的驻波测试结果

增益方向图三个频点的测试结果与仿真结果比较有一些小的起伏，分析其原因主要有测试误差、90度电桥的频偏和其它系统误差等。其中第一位的是电桥的频偏，其次是测试误差。由3dB电桥的测试结果可知电桥中心频率向高频偏了约10%，通过分析知道这主要由于加工印制板的介电常数与仿真模型的介电常数不一致导致的，经过后续优化这一频偏很容易被修正。从天线测试的驻波曲线仍不难看出，该天线具有宽频带的驻波比特性，带宽超过40%。

4 结论

本文提出的宽带天线具有低剖面、小型化结构的特点；同时在有限的天线尺寸限制的情况下，优化辐射元上的电流分布和馈电结构，在天线输入口实现良好的阻抗匹配，从而使天线具有最佳辐射效率；在满足波束增益要求的同时，使覆盖区域内天线具有较宽的带宽。这类天线在要求小型化、宽带及变极化的通信系统中有良好的应用前景。以后的工作中，在方向图的对称性上可以通过增加馈电个数来进行适应性的调整，还可以将馈电电桥与天线单元进行一体化结构设计，特别是一体化结构的高强度、高可靠性设计上进行研究。

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