圆极化磁偶极子天线设计

黄 伟，孙保华，孙 凌，孙 乔

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

随着卫星通信的不断发展，对机载通信系统提出了更高的要求，天线作为机载通信系统中重要的组成部分，对整个通信系统性能的好坏有着直接影响［1］。机载天线一般具有小型化，重量轻，结构稳定的特点。在一些特殊环境中，为满足空气动力学的要求，还需将天线与机体集成在一起，或者将天线嵌入到飞行器中。为保证飞行器安全，需要与卫星进行良好的通信，常需要一个GPS天线，而此类天线一般为圆极化天线。

微带天线实现圆极化一般采用切角或者开槽等方式［2－5］，这类天线一般很小并且容易加工。但微带天线一般不能不受任何影响地完全嵌入到飞行器中。文献［6～7］提出了另外一种使用交叉偶极子实现圆极化的方式，该天线具有宽频带、宽波束以及良好的辐射特性等优点，但是此类天线通常需要四分之一波长的高度。文献［8～9］提出了一种可用于GPS频段的四臂螺旋天线，但是这类天线一般需较复杂的馈电网络，且不适宜作为可嵌入的机载GPS天线使用。

上述天线都无法无缝隙地嵌入到飞行器中，与飞行器集成。本文根据实际需求，设计了具有低轮廓、可嵌入等优点的圆极化磁偶极子天线，且加工了实物，并进行了测试。

1 天线结构

图1给出了圆极化磁偶极子天线的俯视图和侧视图。如图所示，天线由并联而成的两对末端短路的领结形贴片、馈电部分和地板3部分组成。馈电部分由两段长度和宽度分别为 L1，W1和 L2，W2的微带线组成，印刷在介电常数为2.65，厚度为1 mm的介质板正面。介质板的背面印刷着领结形贴片，如图所示，地板和贴片天线水平部分大小相同，周围分别短路。末端短路的领结贴片与地板组成一对磁偶极子，两对磁偶极子并联且垂直放置。天线的总体尺寸为L×W×h，表1给出了该天线的详细尺寸。

图1 磁偶极子天线结构图

表1 圆极化磁偶极子详细尺寸 mm

2 天线性能

(1)L4对天线S参数及轴比的影响。主要研究了领结形贴片前端宽度L4对天线端口反射系数S11的影响。对 L4=8.5、9.5、10.5、11.5 mm，4 种情况进行了讨论。如图2和图3所示，当L4增加时，主要影响输入端口阻抗匹配，同时影响轴比，使得轴比往高频偏。因此，选择合适的L4可使天线在工作频带内具有良好的轴比。

图2 L4对天线反射系数S11的影响

图3 L4对天线反射系数S11的影响

(2)W4对天线S参数及轴比的影响。为了使天线更牢固，将两对磁偶极子在末端连接起来。下面主要研究连接部分的宽度W4对天线输入端口反射系数S11以及轴比的影响。在天线其它结构参数不变的情况下，分别讨论了 W4=6、8、10、12 mm 这4种情况。图4和图5分别给出了W4对天线反射系数和轴比的影响。可看出，W4对天线的反射系数影响较小，对端口输入阻抗匹配有微调的作用。随着W4的增加，轴比往高频偏，因此，也可通过调整W4对轴比进行微调，使天线在工作频段具有良好的轴比。由于领结形贴片末端短路，与地板相连接，组成磁偶极子，因此用一小段贴片将两对磁偶极子在末端连接起来对天线的性能应该影响不大，对W4的研究验证了这一点。通过选取合适的W4，使得天线在结构上更牢固，同时在所需要的工作频段内具有良好的阻抗匹配和轴比特性。

图4 W4对天线反射系数S11的影响

图5 W4对天线轴比的影响

基于上述分析，调节L4和W4均可对天线的输入端口反射系数和轴比有微调作用。选取L4=10.5 mm和W4=8 mm比较合适，可使天线工作在GPS频段内，且在此频段内具有良好的圆极化辐射特性。

仿真分析，按照表1实际制作了该天线的实物，如图6所示。

图6 圆极化磁偶极子天线实物图

利用矢量网络分析仪对该天线实物的电参数进行测量，图7给出该天线的反射系数S11的测试结果，且给出了仿真结果作为对比。如图所示，天线的S参数测试结果和仿真结果吻合较好，细小的差别可能是由于加工误差引起的。测量结果显示，在1.19～1.27 GHz的频率范围内，天线的输入端口反射系数＜－10 dB，相对带宽为6.5%。可满足GPS天线的基本要求，工作在GPSL2频段内。

图7 圆极化磁偶极子天线的反射系数S11

图8给出了该天线的测量轴比特性曲线图，同时也给出了仿真结果曲线作为对比。如图所示，仿真的3 dB轴比带宽为33 MHz(1.211～1.244 GHz)，而测量的3 dB轴比带宽为32 MHz(1.209～1.241 GHz)。在1.227 5 GHz频点，轴比为0.72 dB，表明天线辐射圆极化波。

图8 圆极化磁偶极子天线的轴比

图9给出了该天线的测量增益曲线图，为便于比较，同时也给出了仿真曲线图。仿真结果表明，在1.227 5 GHz频点，天线的增益为6.85 dBic。而测试结果表明，在1.227 5 GHz，天线的增益为6.53 dBic。测量值比仿真值低，原因可能是所使用的介质，铜以及SMA同轴连接器等造成的损耗。从图中还可看出，在整个工作频段内，天线具有相对稳定且较高的增益。

图9 圆极化磁偶极子天线的增益

图10给出了天线在1.227 5 GHz频段处的测量与仿真的远场方向图。如图所示，天线辐射的是右旋圆极化波，最大辐射方向在z轴正向，且在xoz面和yoz面辐射方向图是对称的，天线具有良好的辐射特性。

图10 圆极化磁偶极子天线的方向图

通过上述研究，该天线工作在GPS频段，且具有良好的辐射特性。由于天线四周短路，形成了一个封闭且稳定的盒子，同时该天线还具有低剖面的优点，因此，可将该天线嵌入到金属飞行器中，作为机载GPS天线使用，使金属飞行器和卫星具有良好的通信。

3 结束语

提出了一种新型的圆极化磁偶极子天线，主要由两对磁偶极子天线正交并联构成。通过调整两对磁偶极子天线的臂长，可实现圆极化。通过软件仿真和实物测量，结果表明该天线具有良好的电特性和辐射特性。该天线可嵌入到飞行器中，作为GPS天线与卫星通信。

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