宽带圆极化锥形辐射单元阵列天线的设计

2011-05-29杨彦炯龚书喜

电波科学学报 2011年2期

杨彦炯栗曦杨林王伊龚书喜

(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

宽带圆极化天线在现代通讯系统，如卫星通讯、雷达与导航中广泛应用。微带天线因为其重量轻、低剖面、低成本、易成型和易于与集成电路技术兼容等特点而应用广泛。传统微带天线的限制是可利用阻抗与轴比(AR)带宽。为获得更宽的带宽，双馈点拓扑结构由于结构简单、令人满意的性能等特点成为首选[1-2]。传统贴片天线允许带宽的典型值在单馈点且AR<3 dB时小于10%[3-4]。为提高阵列天线的轴比带宽，设计了一种新型的宽带圆极化阵列天线，馈电网络包括90°宽带电桥[5]和L型探针用来提供90°馈电相差。设计天线具有以下三个特点：1)馈电网络结构适合宽带圆极化天线阵列的设计；2)馈电网络在介质基板底部，地板在介质基板的顶部。这种设计方法使得地板把辐射体与馈电网络隔离开来以减小二者间的相互影响，且减小了阵列天线的总体尺寸；3)利用锥台辐射单元取代传统平面辐射贴片做为辐射单元能明显提高轴比带宽。

下文详细给出了天线结构与设计准则；2×2单元结构的阵列天线实验结果与讨论；最后得出的天线设计结论。

2.天线结构与设计

图1给出圆极化阵列天线的结构。天线包括三层：辐射体、空气层和介质基板。辐射体在L型馈电探针上面，探针穿过基板与馈电网络相连接。辐射体由高6 mm、直径为5 mm、相对介电常数2.65的介质柱支撑。辐射体与L型馈电探针Z之间距离为0.6 mm.

图1 天线结构示意图

空气层的引入提高了天线的工作带宽。馈电网络在介质基板下面，地板在介质基板上面，这种结构不仅降低了辐射体与馈电网络的相互影响，还减小了天线的总体尺寸。

图2 馈电网络布局图

图3 锥台辐射体结构尺寸(D1=54 mm,D2=52 mm,D3=48 mm, H=8 mm,h=1 mm)

图4 馈电探针结构尺寸( L1=34.6 mm,L2=6 mm,d=1.2 mm)

3. 结果与讨论

功分网络及地板分别位于厚度1 mm，介电常数4.4的介质基板两侧，天线设计频率为2.2 GHz。阵列辐射单元x轴方向排列距离为71 mm，y轴方向排列距离为120 mm.图5为阵列天线和馈电网络实物。天线的整体结构尺寸为230 mm×150 mm×16 mm.

用R&S ZVB20型矢量网络分析仪来测试天线驻波，图6中为仿真与实测驻波曲线比对。由测试结果可知，阻抗带宽为40.1%(VSWR<2)，范围从1.68～2.58 GHz.

在微波暗室内测试天线轴比、增益及x-z和y-z面的远场方向图。图7为实测与仿真轴比，曲线吻合良好。且由图可见设计天线的3 dB轴比带宽为 42.7%，范围从1.76～2.7 GHz，比传统的贴片天线宽很多[6-10]。图8为频率1.8 GHz、2.2 GHz和2.6 GHz天线的增益测试曲线如图9所示，设计天线增益在频率2.4 GHz可达12.7 dB.

(a) 实际加工天线

(b) 实际加工馈电网络图5 实际加工天线和馈电网络

图6 仿真与实测驻波曲线

图7 仿真与实测轴比曲线

(a) 1.8 GHz

(b) 2.2 GHz

图9 天线实测增益曲线

4. 结论

加工并测试了一个与宽带90°电桥连接、L型探针馈电的宽带锥台辐射单元阵列天线。应用了文中提出的设计方法，天线有良好的宽带性能，天线在VSWR<2的有效阻抗带宽为50%，频率范围为1.68～2.58 GHz；AR<3 dB的有效轴比带宽为42.7%，频率范围为1.76～2.7 GHz，其轴比带宽比传统贴片天线宽很多，文献[6]-[9]中天线的3 dB轴比带宽分别为20.8%、12%、20.4%和21%，而文献[10]中四环天线3 dB轴比带宽只有3.8%。设计天线的峰值增益可达12.7 dB.

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