一种小型化宽带圆极化微带天线的设计

秦文奕

(中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036)

0 引言

从结构上说，微带天线实际上就是一块印刷电路板，全部功率分配器、匹配网络、辐射器都可以刻在介质板的一侧，另一侧为金属地板。微带天线由于其结构简单，剖面低而被广泛应用，但带宽较窄，是其技术发展的一个瓶颈。目前军用和民用多点通信系统对天线工作频率范围要求较大，太窄的带宽导致很多微带天线由于不能满足宽频带工作要求而被弃用［1］。微带天线的圆极化工作可以通过使用两个独立的馈源或是使用一分二功分器的单个馈源来激励实现，前者的带宽较窄，3 dB轴比带宽为1%［2－3］。采用功分器虽然能显著改善天线的工作带宽，但是同时也增大了天线体积。文中采用同轴线背馈方式，利用U形地板，根据带状线的理论设计一分二威尔金森功分器［4－5］，实现了圆极化微带天线的宽带工作和结构小型化。

1 天线设计

为了展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽，天线一般采用双馈点圆极化微带结构［6－7］，馈电网络采用一分二的威尔金森功分器。天线结构如图1所示，其中图1(a)、图1(b)分别为顶视图和侧视图。天线的辐射单元是边长为36 mm的方形贴片，在贴片的A、B两点等幅、相差90度馈电来实现圆极化辐射;接地板采用直径约为80 mm、高度为12 mm的U形结构，同轴电缆的探针从U形地板底部对功分器进行馈电，功分器将馈源输入的信号分成两路等幅不同相的信号，通过穿过馈电网络介质层的两根金属导体对上层贴片进行馈电，馈电点的XY面坐标为(x0，y0)。采用这种馈电结构大大地减小了附加功分器后天线的整体体积，同时可以获得良好的宽带特性和圆极化特性。

图1 天线结构示意Fig．1 Structure of the antenna

在设计功分器时运用带状线理论［8］，馈电网络采用非对称带状线结构。如图1所示，功分器的馈线可以看作带状线中间的导体带，上下接地板之间的上半空间填充高介电常数材料，下半空间为空气介质，选择导体带宽度及长度以保证功分器输入、输出端50 Ω的阻抗和两个输出端具有90度的相位差。在设计了天线及馈电网络的各项基本参数后，借助成熟的商业仿真软件Ansoft HFSS12对天线和馈电网络进行了仿真分析，仿真模型如图2所示。

图2 天线仿真模型Fig．2 Simulation model of the antenna

从图2中可以看出，仿真模型主要包括三层，下层为馈电网络的空气层，中间层为馈电网络介质层，上层为采用高介电常数的贴片天线。在馈电网络的输入端设置了三根短路金属柱体以减少馈电端能量的损失，从而获得更好的驻波比带宽。

2 仿真及实测结果分析

为了尽可能的减小天线体积，文中天线及馈电网络均选用了εr=9．6的高介电常数介质基板，天线具体设计参数如表1所示。根据理论仿真结果，制作出了单点背馈的宽带圆极化天线，天线实物如图3所示。从图3中可以看出该天线结构简单，外形简洁美观。

表1 天线设计参数Table 1 Design parameters of the antenna

图3 天线实物照片Fig．3 Photograph of the antenna

对根据表1所列参数设计加工的天线各项指标进行了实际测试，图4为天线驻波曲线，图5为天线圆极化轴比曲线，从图中可以看出实测结果与仿真值吻合较好，天线在1．05～1．45 GHz带宽范围内驻波比小于2，在1．05～1．40 GHz频率范围内轴比小于3 dB。天线中心频率方向图如图6所示，从图6中可以看出天线方向图具有良好的对称性。

图4 天线驻波曲线Fig．4 VSWR of the antenna

图5 天线轴比曲线Fig．5 Axial ratio of the antenna

图6 天线中心频率轴比增益方向Fig．6 Gain pattern of the center frequency

3 结语

文中设计了一种宽频圆极化微带天线，天线采用同轴馈电，利用U形接地板，根据带状线理论设计馈电网络，实现了结构的小型化。天线VSWR≤2的带宽达到了30%，3 dB轴比达26%，最大增益约为4 dB，且方向图对称。实测值与仿真值具有较好的一致性。该天线具有成本低，可靠性高，调试量小，适合批量生产等优点，可广泛应用于通信、导航等系统。

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