圆极化微带阵列天线的设计

张明民，鄢泽洪

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

天线系统作为无线通信系统中的一个关键的部分，其特性的好坏直接影响着整个通信系统的工作性能。无论是在军事国防还是民用通信领域，对于天线单元及阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更高的要求。在实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性，采用某种形式的阵列天线则较容易获得这些特性，因此，阵列技术在实际中获得了广泛的应用[1]。

1 微带天线的设计

本文设计的微带阵列天线的主要指标是:工作频率在 2.4～2.5 GHz；天线极化方式为圆极化；天线增益 ＞10 dBi；驻波 ＜1.5；方向图 E面波瓣宽度和面波瓣宽度 ＞25°；尺寸约为 400mm×400 mm。

1.1 微带天线单元

天线单元采用双馈电点的正方形贴片的微带结构实现圆极化特性。同时，通过介质层(相对介电常数2.65)的厚度，可以实现天线单元工作带宽的展宽。利用 HFSS软件，获得天线单元的最终结构尺寸，其仿真模型，如图 1所示。介质层高度为 4 mm，辐射贴片边长 35.25mm，可根据正方形经典天线的设计公式 L=0.5λg-2Δl得到[2]。

图1 天线单元仿真结构图

1.2 天线单元馈电网络设计

根据天线双馈电点的特性设计天线的匹配网络。圆极化方式采用双馈电点，两个馈电端口所辐射的TM01模和 TM10模，在贴片辐射方向形成来年各个正交分量，相差 π/2，选择适当的激励频率，可以使两个模式同时被激励，从而得到一个圆极化辐射场，所以馈电网络采用 Wilkinson功分器，移相器采用普通微带传输线。利用微带传输线移相的特性，使功分器终端得到两个等幅，相位相差 π/2的电场[3]。

图2 天线单元馈电模型

天线单元加馈电后行进了仿真得出了单元天线在工作带宽内的端口反射系数和阻抗特性，分别得到如图 3和图 4的结果。图 3可以看出加馈电后天线端口的反射系数在工作频段内均 ＜-30 dB，对应驻波≤1.06。图 4可以看出加馈电后天线在中心频率上的输入阻抗为 49.4-j0.35Ω。

1.3 阵列天线的设计和仿真结果

前面已经得到设计单元天线的特性，本文采用 4个单元天线组成阵列天线[4]，并在 HFSS中建模，如图 5所示，并且对该天线的电特性进行仿真分析。

从图6可以看出阵列天线的VSWR在工作频段内均 ＜1.2。

如图 7所示，阵列天线在 2.40 GHz的增益为13.8 dBi，xoz面半功率波束宽度为 35°，yoz面半功率波束宽度为 34°。如图 8所示，阵列天线在 2.45 GHz的增益为 13.85 dBi，xoz面半功率波束宽度为 34°，yoz面半功率波束宽度为 34°。

如图 9所示，阵列天线在 2.50 GHz的增益为13 dBi，xoz面半功率波束宽度为 34°，yoz面半功率波束宽度为 33°。

2 结束语

本文研究了圆极化微带阵列天线的设计，仿真结果满足:极化方式为圆极化方式，圆极化带宽为2.4～2.5 GHz，波束宽度为 33°～35°，增益 ＞13 dBi，驻波 ＜1.3。具有一定的工程应用价值，同时还有一些问题需要更进一步的探讨和研究。

[1]翟孟云，严育林.阵列天线理论引导[M].北京:国防工业出版社，1980.

[2]刘玉杰.小型化圆极化收发天线设计[J].遥测遥控，2004(5):53-56.

[3]David M Pazar.微波工程[M].3版.张肇仪，译.北京:电子工业出版社，2006.

[4]商远波，于晓乐，张富顺，等.C波段高增益微带天线阵列的研制[J].微波学报，2006，22(增刊):16-19.

[5]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，1991.