一种双馈圆极化微带天线的设计

玄晓波， 孙志伟， 刘轶萍， 周小林

（1．上海无线电设备研究所，上海200090；2．上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海200438）

0 引言

在导弹制导过程中，经常会使用到比相测角系统。为了确定目标的位置，利用多个结构相同的天线组阵工作。天线按照一定的位置进行排列，由于目标所发射电磁波到达天线阵的距离不同，因此会在天线阵的各个单元激励不同相位的信号。通过测量阵列中各天线的相位信息，从而可以确定目标的角度。

本文所设计的天线即用于此类比相测角系统中的接收天线。为了减少极化损失，保证天线的接收电平，采用圆极化接收天线。由于受到天线外形尺寸的限制，本设计使用微带天线形式。微带天线是在1953年由美国科学家德尚（G．A．Deshcamps）教授提出的，由于其具有体积小、重量轻、低剖面及便于加工等诸多优点［1］，在如今天线设计和研究中被大量应用。

微带圆极化天线按照馈电方式，一般分为单馈点圆极化天线和双馈点圆极化天线。单馈点圆极化天线的结构简单，利用两个简并模正交等幅工作，也就是说这两个模式同时也具有90°相位差［2］。这样的场分布恰恰可以满足圆极化辐射的性能，但这类天线的工作原理决定其带宽不会较宽，很难得到超过3%的圆极化带宽。为了满足设计要求，本文使用双馈的方式。通过设计一个具有90°移相器的带状线Wilkinson功分器，构建起圆极化的辐射条件，进而达到宽频带圆极化的性能［3］。

1 圆极化天线设计

整个阵列由四个相同的天线组成，天线的排列及放置，如图1所示。天线成正方形放置，1与2，3与4分别测试方位和俯仰两个方向，天线间的距离需要准确测量，初始设定为半个波长，可沿着滑动轴（图1中黑色箭头）滑动，从而可以灵活调整天线阵的阵元间距。

天线的整体结构由三部分组成：双馈点矩形微带贴片，连接同轴线及带有90°移相器的带状线Wilkinson功分器。利用移相功分馈电网络为微带贴片提供正交、等幅且具有90°相位差的两个电场分量。Wilkinson功分器的使用，可以有效扩宽天线的匹配带宽，而带状线移相器也能够满足一定的带宽要求，因此最终得到的综合带宽可以满足设计要求。

图1 天线安装位置及弹体坐标系示意图

馈电网络与天线通过共轴传输线连接。天线主要工作空域：方位±60°、俯仰±60°内。天线单元的高度为25 mm，平面最大尺寸为50 mm×50 mm，天线单元的结构如图2所示。

图2 天线单元结构框图

1．1 无馈电网络的圆极化天线设计与仿真

天线单元主体结构由以辐射贴片、介质基板，馈电同轴线三部分组成，如图3所示。

使用的介质基板为Taconic RF－35（介电常数为3．5），基板厚度为6．36mm。在设计过程中，试验了多种厚度的介质板，但带宽都比较窄。如果此处的带宽不能满足要求，当加入功分器之后，虽然匹配带宽可以满足要求，但都是由于隔离电阻吸收的原因，因此其增益带宽依然较窄。

图3 天线单元外形结构

利用HFSS数值计算软件对该天线进行了优化设计，最终得到了天线的相关尺寸，如表1所示（单位：mm）。

表1 无馈电网络天线尺寸

对两个馈点强制馈入等幅、具有90°相位差的信号，使得天线圆极化工作。天线的模型图及仿真结果，如图4所示。

图4 无馈电网络的圆极化天线模型及结果图

1．2 具有馈电网络的圆极化天线设计

通过以上对于双馈点圆极化天线设计的尝试，进而设计了具有功分结构的天线单元。Wilkinson功分器使用带状线的形式，介质基板使用Taconic TLY－5－0400－C1／C1－H－18X24（介 电 常 数为2．2），单层厚度为1mm。接口使用华达SMA－KFD73，通过焊接与馈电网络的输入端连接。利用HFSS数值计算软件对带有馈电网络的天线进行仿真优化，得到了较为良好的仿真结果。天线的仿真模型图及仿真结果如图5所示。

由于引入并联的隔离电阻，天线的匹配带宽较宽，VSWR＜2的带宽为40%。需要讨论的是，天线虽然带宽较宽，但在一些频率时，天线的反射已经较大，只不过能量被电阻所吸收，导致天线效率会降低。天线的轴比AR＜3的带宽为21%。天线的增益性能良好，在俯仰及方位角为±60°内，天线增益大于－1 dB的频带覆盖13%。天线方向图正常，在带内方向图平滑，没有出现凹陷等不

正常情况。最后，观察了天线的交叉极化性能，天线为右旋极化工作模式，天线的交叉极化良好。

图5 具有馈电网络的圆极化天线模型及结果图

2 阵列互耦仿真

出于研究需要，对天线间的互耦情况进行了仿真计算。选用两个相同的天线单元，天线阵元间距为中心频率半波长，利用HFSS仿真软件对天线进行了建模，通过观察两端口的S21或S12来确定天线间的互耦情况。天线的模型图及仿真结果，如图6所示。

由图中可以看出，在间距为半波长的情况下，天线带内互耦在－19 dB以下，达到了天线设计的要求。当天线的阵元间距大于半波长时，天线隔离度将会大于19 dB，更加利于系统的工作。

图6 天线的互耦情况仿真

3 天线的加工及测试

对天线进行了加工，实物图见图7。

根据工程实际的需要，只对需要的工作频带进行了测试。在工作带宽内，天线的性能与仿真结果基本相近。频率选取了f1～f7七个频点，驻波测试结果，如图8所示。

图7 天线实物图

图8 天线驻波测试结果

对天线的方向图进行了测试，主要是针对天线轴比和±60°时的天线增益。由于测试中不能直接测试天线的圆极化增益，因此对天线的长轴增益进行了测试记录，测试结果，如图9所示。

对组合工作的一对天线的互耦情况及相位一致性进行了测试，使用的单元间距为半波长，测试结果，如图10所示。

图9 天线方向图测试图

图10 天线互耦及相位一致性测试图

4 总结

本文设计了一种双馈方式的微带圆极化天线，首先利用HFSS数值计算软件对天线进行了设计。仿真贴片的大小仅为工作波长的22%，实现了良好的圆极化带宽和宽波束增益性能，天线组阵工作后的互耦情况和相位一致性的性能良好。最终对天线进行了加工测试，测试结果与仿真结果基本吻合，验证了设计的正确性。

［1］ John D．Kraus，Ronald J．Marhefka．Antennas：For All Applacations［M］．The McGraw－Hill Companies，2006：253－255．

［2］ Eng Gee．Lim，Yi Huang，Vui Kien Liau．Perturbation Modelling of a Corner Deleted Circular Polarised Microstrip Antenna with offset Feed［C］．2010 International Conference on Communications and Mobile Computing，2010：127－129．

［3］ Kin－lu Wong，Tzung－wern Chiou．Broad－Based Single－Patch Circularly Polarized Microstrip Antenna with Dual Capacitively Coupled Feeds［J］．IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2001，49（1）：41－44．