一种宽频带二元微带天线阵的设计与制作

丁卫平 李洪彬 余同彬

（解放军理工大学通信工程学院，江苏 南京 210007）

1.引 言

圆极化微带天线以其重量轻、剖面低、易于集成等优点在移动、卫星通信中得到越来越广泛的应用。然而，传统的单点馈电圆极化微带天线具有较窄的轴比带宽，通常小于2%［1－2］，利用双点或四点正交馈电及填充空气层的方法可有效扩展天线的轴比带宽及阻抗带宽，但这种结构增益较低［3－4］。近年来，层叠结构的微带天线得到了广泛的应用，因为这种结构不仅能提高天线的阻抗带宽，而且还能提高天线增益［5－7］，但为了得到优化的阻抗带宽，层叠结构的微带天线往往需要较高的剖面，文献［5］和［6］所设计的天线高度约为0.1λ，文献［7］中天线高度为0.14λ.支节匹配技术可以调节微带天线的阻抗带宽［8］，本文在天线高度仅为0.04λ的条件下，利用调谐支节优化了层叠结构微带天线的阻抗带宽（约为11.3%）。

在圆极化微带天线阵的设计中，连续旋转馈电在不引入其它复杂结构的情况下，能够进一步提高天线阵的圆极化纯度及阻抗带宽［9－10］。本文将连续旋转馈电方式用于二元层叠结构的微带天线阵中，采用Ansoft HFSS10进行优化设计，天线阵仿真的 －10dB 阻抗带宽为48.7%，从1.15～1.89GHz.天线阵的1dB增益带宽为13.2%，在1.49～1.7GHz的频率范围内增益均大于11dB，最大增益达12.1dB.天线阵的轴比在1dB增益带宽内均小于0.8dB.最后制作了相应的二元微带天线阵，测试结果与仿真吻合较好。该天线阵适用于现代卫星通信系统，如 AMS（Australian MobilesatTM System），它的工作频率为1.545～1.559 GHz及1.646～1.661GHz，极化方式为右旋圆极化。

2.天线阵单元设计

图1 层叠结构的单元微带天线模型

采用方形贴片的形式设计了层叠结构的微带天线，如图1所示。天线的激励贴片与馈电微带线蚀刻在同一层介质板上，寄生贴片通过介质柱架在寄生贴片的正上方，空气层的厚度为h2，激励贴片与寄生贴片的边长分别为L2与L1.单元天线地板尺寸为Lg×Lg，介质板厚度为h1，介电常数为εr.激励贴片馈电微带线的宽度为W1，其为50Ω的传输线。在距离贴片d1处引入一宽W2长d2的调谐支节。引入调谐支节的目的是抵消输入阻抗的虚部，使天线得到良好的匹配。

馈电采用微带线侧馈而没有使用探针馈电，一方面是因为探针之间具有较为严重的耦合作用，会导致天线的圆极化性能变差；另一方面，把馈电网络与贴片做于同一层，使天线结构简单紧凑，而且抑制了馈电网络的后向辐射。

适当地调节激励贴片与寄生贴片的距离及贴片各自的大小可以实现良好的阻抗匹配。两个贴片间的距离保持0.04λ，利用调谐支节进行优化，单元天线实现了11.3%的阻抗带宽，从1.50～1.675 GHz，图2为加入调谐支节与未加调谐支节的S11仿真曲线，两种情况下其他尺寸均相同，分别为Lg＝145m，L1＝78mm，L2＝61mm，W1＝2.5 mm，h1＝0.8mm，h2＝8mm，εr＝2.2。引入调谐支节的尺寸为W2＝2.5mm，d1＝7.5mm，d2＝16mm.由图2中虚线所示，未加调谐支节的情况下两个频点间一段会隆起，呈现出双频特性而不是宽带特性。加入调谐支节相当于在输入端并联了一段开路传输线，通过调节支节的长度可有效抵消输入阻抗的虚部，同时它也间接地起到了阻抗变换的作用，改善了匹配效果，如图2中实线所示。

图2 输入端引入调谐支与未加调谐支的S11仿真曲线

引入寄生贴片不仅能扩展天线带宽，还可以提高天线的增益。文献［6］引入了两个寄生贴片，第一个寄生贴片距激励贴片为0.075λ，用于提高天线的阻抗带宽，当第二个寄生贴片距第一个寄生贴片为0.5λ时，可将天线的增益提高3.5dB.但这种方法大大增加了天线的纵向高度，破坏了微带天线的低剖面特性。出于小型化考虑，本文将寄生贴片与激励贴片的距离设置为0.04λ，与传统单层微带天线相比，层叠结构的微带天线增益也得到了提高。图3为f＝1.6GHz时层叠结构微带天线与单片微带天线的增益仿真曲线，加入寄生贴片后天线方向图波瓣变窄，而增益提高了1.6dB，顶点增益为9.3 dB.

图3 层叠结构与单片微带天线的增益仿真曲线

3.连续旋转馈电天线阵设计

根据前文设计的单元天线，运用连续旋转馈电的方式将两个单元组成二元天线阵，天线阵结构如图4所示。天线阵间距取为0.82λ，馈电网络由3个Wikinson功分器构成，如图4所示，天线阵中单元2相对于单元1旋转了90°，而且单元2馈电相位比单元1滞后90°，这样构成了双单元的连续旋转馈电模式，天线阵极化方式为右旋圆极化。

图4 连续旋转馈电的双单元微带天线阵示意图

图5给出了天线阵的S11仿真与测试曲线，测试曲线的效果比仿真曲线差一些，这可能是引入超小A型SMA（Sub－Miniature－A）接头以及加工误差带来的影响。图6给出了天线阵的增益和轴比随频率变化的仿真曲线以及测试点，如图所示，测试结果与仿真吻合较好，天线阵的增益在1.48～1.68GHz的频率范围内大于11dB，增益随频率变化起伏不超过1dB，测试的最大增益为11.8dB，比仿真的最大增益12.1dB略小。在1.45～1.7GHz的频率范围内天线阵正前方向的轴比均小于1dB，具有较好的圆极化性能。图7给出了工作频率f＝1.55 GHz时，天线阵前向180°轴比和增益的测试曲线。

测试结果表明连续旋转馈电用于层叠结构微带天线阵中可以有效提高天线阵的性能。天线阵带宽的提高是因为利用了层叠结构的微带天线单元，寄生贴片和激励贴片同时工作在临近的频率上，进而拓展了微带天线的带宽。连续旋转馈电技术显著地提高了二元微带天线阵的圆极化纯度，使得天线阵的轴比在1dB的增益带宽内均小于1dB，图8为天线阵的实物图。

图7 天线阵的增益与轴比测试曲线

图8 天线阵实物图

4.结 论

本文设计了一个连续旋转馈电下双单元圆极化微带天线阵。采用层叠结构的微带天线作为天线阵单元，引入调谐支节优化了阻抗带宽，同时降低了天线的高度。测试结果表明连续旋转馈电技术可以有效提高天线阵的圆极化纯度，天线阵轴比在1dB的增益带宽内均小于1dB，最大增益达11.8dB.综上所述，该天线阵具有频带宽、增益高、圆极化性能好的优点，工作带宽覆盖卫星通信系统AMS（Australian MobilesatTM System）的两个频段，具有良好的应用前景。

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