一种新型宽波束双圆极化天线的设计与仿真

陈玉林

(华东电子工程研究所 合肥 230031)

0 引言

随着无线通信技术不断发展，对天线的性能提出了更高的要求。全球定位系统(GPS)、合成孔径雷达(SAR)、卫星通信、个人通信(GSM 900/DCS1800)等领域，都需要轻重量、低轮廓、制造简单的宽波束双圆极化的天线。

四臂正弦天线(即Sinuous天线)和微带介质天线组合起来可以实现宽波束双圆极化的功能［1］。相比于文献［1］与文献［2］的设计，此单元设计有几大优点:a.Sinuous天线单元的曲线段为阿基米德曲线，更易实现且易于构造和设计，而文献［1］与［2］中使用的均为较复杂的曲线段。b.在天线中组合使用了微带介质天线，即通过加宽介质板来实现宽波束辐射。

1 Sinuous天线单元理论分析

1.1 Sinuous天线基本原理

Sinuous辐射单元由介质上两根或四根甚至更多对称导体臂在有限空间内相互交错构成的。正弦曲线由一系列不同长度与旋向的阿基米德曲线段组成。将基本正弦曲线围绕坐标原点顺时针和逆时针各旋转δ角度，得到两条曲线，由这两条曲线围成的区域称为正弦天线的一个正弦臂，两臂的相角差为180o，当对两臂进行反相馈电时，电场在垂直于单元面的轴线方向同相迭加，故电场最大值在天线的法线方向，且两边均有能量辐射［3-4］。将一个正弦臂绕原点分别旋转90o、180o、270o便形成了四臂正弦天线 (见图1)。一般来说，当取δ=22．5o时，四臂单元为一种互补结构(self-complementary)，其辐射机理类似于对数周期天线，只有在齿长度接近于λ/2或λ/2奇数倍的区域为辐射区，齿长小于λ/2的区域为传输区［5］。

Sinuous天线共有四个正弦臂、四个馈电点。对相对两组正弦臂分别进行等幅、反相馈电，每组正弦臂均产生一个旋转对称的双向辐射的正交线极化波。为了得到圆极化辐射方向图，可以接入一个馈电网络，使两个线极化波束端口产生90o的相移，这样可以合成左旋或右旋圆极化波［6］。

图1 四臂正弦天线模型

1.2 微带介质天线基本原理

在微带天线中引入介质天线原理，仅对微带天线的结构稍作改变(延伸其介质层)，形成一种新型宽波束天线—微带介质天线。该天线在两主面都有相对较宽的波束。由于它只延伸了微带天线的介质层，因此该天线基本保持了微带天线在结构上的优点。

图2 微带介质天线侧视图

一般介质天线由激励源和介质棒组成，激励源一般为同轴线或波导，最大辐射方向在天线的轴向方向。由于介质的相对介电常数比空气大，在介质中传播的电磁波在介质和空气的分界面会产生强烈的反射，形成介质波导，使电磁波沿介质传播，最后在介质末端辐射出去。介质天线的辐射由激励源的辐射和介质的辐射合成而成［1］。

通过加宽微带天线的介质衬底，形成由微带馈电的介质天线，从而将微带天线和介质天线组合在一起，使组合后的新天线具有以上两种天线的辐射特性。当能量馈入天线后，一部分由微带贴片直接辐射，另一部分沿介质传播，在其末端辐射，整个天线的辐射由这两部分的辐射叠加而成。由于微带天线在法向方向辐射最强，而介质天线在切线方向辐射最强，因此新天线在垂直和水平方向都有较强的辐射，具有很宽的波束，可以在上半空间提供较均匀的覆盖。

在文献［2］中对普通微带天线和微带介质天线做了比较，结果表明，该方法可以显著地展宽微带天线波束，提高低仰角增益［2］。

1.3 Sinuous天线的设计

由上面理论设计出频率为2.0～2.3GHz的天线。其单臂曲线示意图如图5。其结构侧视及俯视图如图6～7。因为阿基米德天线的极坐标方程式为:r=r0+a(φ-φ0)。其中r为曲线上任意一点到极坐标原点的距离，φ为方位角，φ0为起始角，r0为螺旋线起始点到原点的距离，a为常数，称为螺旋增长率。Sinuous天线是用很多段阿基米德天线构成的。经过分析，我们得出Sinuous天线第n段曲线的参数方程为:

式中，rn为第n段螺旋线起始点到原点的距离，an为常数，称为螺旋增长率。我们取δ=22.5o=0．4。其中每条臂一共有10条阿基米德曲线段，其中有五条是另外五条线段旋转δ而得到的。下面我们给出Sinuous天线单臂曲线的参数方程。如图3，各段曲线的方程如下:

式中:0≤t2≤n2=1.05;r2=r1+a1·n1;a2=3 。弧3:

式中:0 ≤t4≤n4=1.5;r3=r3+a3·n3;a4=3 。弧5:

图3 Sinuous天线单臂曲线示意图

线段0的作用是连接两个臂。对于线段1、2、3、4来说，它们做成尖削形状，是为了减小天线臂上电流的终端反射，以减小“截尾”效应。

天线单元由五层构成，第一层为大地板，直径为150mm。其作用是使Sinuous天线单方向辐射;第二层为空气介质;第三层为小地板，其作用即为前面提到的展宽波束宽度，小地板的直径为58mm。第四层为介质板，介质板的介电常数为9.6，其目的为减小天线的尺寸，介质板的直径为69mm;最上面一层为Sinuous天线贴片层。另外，我们用四根同轴线分别对Sinuous天线的四个臂进行馈电，各端口馈电幅值相等，相位两两相差90o，即分别为0o、90o、180o、270o。因为Sinuous天线本身可以产生相互正交的两个线极化波，根据圆极化波的形成原理，我们知道这种馈电满足形成圆极化的三个条件。其中馈电幅值相等以及相位两两正交可以通过3dB正交电桥来实现。

2 Sinuous天线仿真结果

上面我们已经详细介绍了天线的设计过程及各参数，下面将给出该Sinuous天线的仿真结果。

图4 四个端口的驻波比

图5 天线在xoz面的辐射方向图

图6 天线随频率f变化的轴比

由上面对天线的仿真结果可以看出，四个端口的驻波比都在1.76以下，这说明天线四个端口的输入阻抗都在50Ω左右;由天线辐射方向图可以看出，天线在 -66o≤θ≤65o范围内，增益gain≥2dB，所以天线实现了宽波束特性。由图6可以看出，在要求的频带内，轴比都在3dB以下。通过圆极化方向图也可以看出，圆极化性能很好。

图7 f=2.3Ghz时的圆极化辐射方向图

3 结论

四臂正弦天线和微带介质天线结合起来可以实现宽波束与双圆极化的特性，利用HFSS软件对此天线进行了优化仿真分析，结果表明，所设计的天线在其工作频带内有良好的方向图特性，完全能满足工程设计的需要。

［1］刘莹，谢拥军.多层介质天线罩的数值分析［J］. 电波科学学报，2011，26(3):550-554.

［2］何海丹.新型宽波束圆极化天线_微带介质天线［J］.电讯技术，2003，(1):48-50，54.

［3］ GONNET P.H.，SHARAIHA A.，TERRET C.Wire Modelization and Optimization of the Sinuous Antenna［J］.IEEE Microwave and Optical Technology Letters.October 1996，13(3):156-160.

［4］TRIPP V，Wang J.H.The Sinuous Microstrip Antenna［C］.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.June 1991，1:52-55.

［5］蒋凡杰.四臂正弦天线设计［J］.现代雷达，2006，28(2):64-67.

［6］任辉，胡红芬.Sinuous天线［J］.计算机与网络，2002，(11):50-52.