双圆极化微带天线的设计

薛 欣 张福顺 冯昕罡 冯 睿

(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071)

1.引 言

微带天线的优点是体积小、重量轻、低剖面,其主要缺点是带宽很窄。一般工程中要使微带圆极化天线兼顾双圆极化、宽波束宽度和小型化的特点具有一定难度,在此工程背景上进行了研究,使天线能同时工作在两个离散的频率点,产生不同旋向的圆极化特性[1]。由于圆极化天线带宽很窄,加工时,尺寸稍有误差,便使得圆极化特性变差。采用双馈点馈电,增加天线的对称结构,改善了圆极化特性,最终利用经验公式和仿真软件,设计了工作在两个不同频率点,不同旋向的圆极化天线,并采用高介电常数的介质板来减小天线尺寸,和展宽波束宽度[2-6]。

2.微带天线的设计

天线的设计要求为天线安装在边长为48 mm,四周倒圆角的方形底座上,分别工作在L波段和S波段,其电压驻波比VSWR≤2,轴比Axial Ratio≤2 dB。工作频率L波段时产生左旋圆极化波,工作频率S波段时产生右旋圆极化波。

采用多层重叠的微带天线实现双频双圆极化特性,该优点是便于工程实现和加工。为了减小天线的尺寸和展宽辐射波束宽度,采用介电常数为9.8的陶瓷介质,厚度为2 mm,工作频率在S波段的上层,工作频率在L波段的下层。高频天线工作的时候下层的天线充当了地板;当低频天线工作时,高频天线因为尺寸小,减小了对低频天线的影响。同时改变天线的形状,改善波束宽度范围内的圆极化特性。

如图1所示。圆极化方式采用双馈电点,两个馈电端口所辐射的TM01和TM10模,在贴片辐射方向形成两个正交分量,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,选择适当的相差,使得上层辐射右旋圆极化场,下层辐射左旋圆极化场。

2.1 贴片的设计

设计贴片时,先根据正方形贴片天线的经典公式设计天线单元其初边长L。

根据式(1)式(2)计算出天线的初始尺寸,采用高介电常数介质,以减小天线尺寸和展宽波束宽度,增加天线的对称结构,以改善圆极化特性,再利用仿真软件,优化天线的尺寸[7-8]。

2.2 馈电网络的设计

馈电网络采用双馈点馈电,如图2所示,高频功分器和低频功分器分开工作,其功分器部分采用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。

图2 功分器结构

3.仿真及实验结果

3.1 仿真分析

对图1所示天线结构和图2所示功分器,利用Ansoft HFSS软件进行仿真优化设计,具体尺寸为

1)天线大小Ls1=26.8 mm,Ls2=18 mm;

2)介质板介电常数ε=9.8;

3)介质板尺寸 Lm=48 mm,厚度 H2=H1=2 mm。

利用以上尺寸,建立模型仿真结果如图3～图4所示,图3为天线的电压驻波比系数(VSWR),图4为天线辐射方向图,其中0度方向为天线辐射面法线方向。

由图3、图4可以看出天线的两个工作频率VSWR≤2、最大辐射方向轴比Axial Ratio≤2 dB,f0=1.616 GHz时 3 dB波瓣宽度为115°,f0=2.491 GHz时3 dB波瓣宽度为120°。

3.2 实验结果

根据天线的设计和仿真尺寸,加工出小型化微带天线的实物样件,样件尺寸为48 mm×48 mm,并对样件进行了电测量,图5为双频双圆极化微带天线的实物样件和使用HP8753D矢量网络分析仪测量天线的电压驻波系数(VSWR)的测试结果。

由图5可以看出天线在工作频率1.616 GHz时,其电压驻波比为1.3。工作频率为2.491 GHz时,其电压驻波比为1.6,满足了设计要求 。

在微波暗室远区条件下,采用自制的天线远场自动测量系统在=1.616 GHz和=2.491 GHz时,对该天线的辐射方向图进行了实测,测试结果如图6和表1所示,其中0度方向为天线辐射面法线方向[9]。

表1 天线3 dB轴比波束宽度数据表

图6的电测试结果和表1表明,天线在两个工作频率点,在很宽的波束宽度范围内有很好的圆极化特性。

4.结 论

研究了小型化双频双圆极化微带天线的设计方法,通过采用叠层天线的设计思路使天线工作在两个离散的频率点产生不同极化的圆极化波,并通过使用高介电常数减少天线尺寸和展宽波束宽度,增加天线对称结构改善圆极化特性,然后根据Ansoft HFSS软件仿真优化出的结构尺寸,加工了天线样件,样件尺寸为48 mm×48 mm,其电测的结果也满足了设计指标的要求,该天线已经用于工程实际,有很高的实用推广价值。

[1]丁克乾,李连辉,张凤林.双频圆极化微带天线[J].遥测遥控,2004,25(5)：7-9.DING Keqian,LILianhui,ZHANG Fenglin.Dual Band Circularly Polarized Microstrip Antenna[J].Telemetry&Telecontrol,2004,25(5)：7-9.(in Chinese)

[2]刘玉杰.小型化圆极化收发天线设计[J].遥测遥控,2004,25(5)：52-55.LIU Yujie.Design ofNovelCircularly Polarized T ransmitting/Receiving Antenna[J].Telemetry &Telecontrol,2004,25(5)：52-55.(in Chinese)

[3]张福顺,商远波,张 涛,等.高增益低副瓣圆极化微带天线阵的研制[J].电波科学学报,2008,23(3)：572-575.ZHANG Fushun,SHANG Yuanbo,ZHANG Tao,et al.A circular-polarization microstrip array with highgain and low-side lobe[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(3)：572-575.(in Chinese)

[4]胡明春,杜小辉,李建新.宽带宽角圆极化微带贴片天线设计[J].电波科学学报,2001,16(4)：441-446.HU Mingchun,DU Xiaohui,LI Jianxin.Design of broad-band and wide-angle circularly polarized microstrip patch antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2001,16(4)：441-446.(in Chinese)

[5]SIM C Y D,HAN T Y.GPS antenna design with slotted ground plane[J].microwave and optical technology letters,2008,50(3)：818-821.

[6]薛睿峰,钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报,2002,17(4)：331-336.XUE Ruifeng ZHONG Shunshi.Survey and progress in circular polarization technology of microstrip antennas.Chinese Journal of Radio Science,2002,17(4)：331-336.(in Chinese)

[7]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.

[8][美]David M.Pozar.微波工程[M].北京：电子工业出版社,2007.

[9]张福顺,张进民.天线测量[M].西安：西安电子科技大学出版社,1995.