一种耦合短路线加载的圆极化天线方案

陈智达，廖林，彭顺全（广东盛路通信科技股份有限公司，广东佛山528100）



一种耦合短路线加载的圆极化天线方案

陈智达，廖林，彭顺全
（广东盛路通信科技股份有限公司，广东佛山528100）

摘要：提出在微带贴片辐射面上加载等长耦合短路线获得小型化或者小介电常数的圆极化微带天线设计方案，设计了两款双馈的北斗B3天线验证了该方法的有效性。HFSS仿真结果表明，该天线工作于1.268 GHz，单元应用于北斗自适应阵内，底盘尺寸直径为220 mm，传统天线采用50×50，ε=10的介质板，增益为5.7 dB。本设计方案1采用35×35，ε=10的介质板，增益6.0 dB，尺寸压缩了30%;方案2采用50×50，ε=6的介质板，增益为7.1 dB。介电常数减少了40%。与传统的微带圆极化天线相比，该设计方案可以根据实际选用更高增益的天线方案以及更小尺寸的天线方案。

关键词：微带天线；圆极化；短路线加载

对于如北斗卫星系统上的卫星天线，在小型化天线的研究过程中，人们常从材料中研制出具有较低相对介电常数3～15的新型材料，但对于小型化手持天线以及阵列天线按照体积要求［1］，如B3频率天线，往往使用相对介电常数10以上的材料，但是使用高介电常数基板一般会在贴片单元的表面激励起较强的表面波，使得天线的增益下降，并且还有可能导致天线的带宽变窄，材料自身所带来的损耗也较大，因此无法满足卫星系统小型化的要求。

而对于阵列天线单元的选择，不仅要满足系统提出的频带、增益、驻波比、极化等性能指标，而且还要使得各个阵元间的耦合尽可能地小，保证各阵元的幅度和相位一致。然而随着卫星天线系统发展，体积不断压缩，对天线单元的效率、低仰角增益、体积小型化等都具有更高的要求。

本文提出了在微带贴片四周上耦合加载金属短路线［2-3］，并以应用于北斗的右旋圆极化微带天线为例，验证了本文提出方案的优越性。传统贴片天线采用50×50，ε=10的介质板，增益为5.7 dB，如图1所示。本设计方案1采用35×35，ε=10的介质板，增益6.0 dB，尺寸压缩了30%；方案2采用50×50，ε=6的介质板，增益为7.1dB介电常数减少了40%。与传统的微带圆极化天线［4］相比，该设计方案可以根据实际选用更高增益的天线方案以及更小尺寸的天线方案［5］。

图1　传统微带圆极化天线方案

1　天线结构

本文提出的在辐射面加载等长的耦合短路线微带贴片天线如图2所示。

微带天线方案1的介质基体选择Taconic CER-10（ε=10，H=5 mm），金属辐射面边长L1为35 mm，短路线L2为6.5 mm，短路线配有金属化圆孔，使金属线与辐射地导通形成短路线。L3为7.5 mm的辐射面凹槽，避开辐射面，形成短路线耦合形式。

图2　短路线耦合圆极化天线方案

微带天线方案2的Taconic RF-60（ε=6，H=5 mm），金属辐射面边长L1为50 mm；L2为11.5 mm；L3为12.5 mm，如图3所示。

上述方案均应用于抗干扰阵列天线上，微带天线通过两路馈针双端口移相网络实现圆极化，底板均为直径220 mm圆盘，如图4所示

2　仿真结果及讨论

图5和图6给出了新天线方案的回波损耗和史密斯圆图。可以看出，增加金属化短路孔不影响天线极化，并且通过双端口3 dB移相网络实现圆极化，与传统天线实现圆极化原理无异。图7给出了贴片上的电流分布。可见，电流主要集中在凹槽周围，加载的凹槽加短路线改变了电流的路径，从而实现了尺寸的缩减。短路线越长，尺寸缩减的空间越大。

图3　短路线耦合圆极化天线方案2正面图

图4　本方案天线应用于抗干扰阵列天线

图5　回波损耗

图6　史密斯圆图

图7　贴片电流分布

表1比较了本文提出的两种天线方案和传统方案辐射性能对比。表2比较了两种天线方案在实际阵列天线应用上的优势。方案1，在同等介质板的情况下，能使用更小尺寸的天线实现圆极化，并且在性能上与传统天线差异不大；在同等尺寸上，方案2能使用更低介电常数的介质板，使得天线损耗减少，获得比传统天线更高的增益。可见本文提出的短路线耦合微带天线方案能设计出仰角增益高的天线或者设计出更小的贴片面积天线。

表1　与传统天线1单元的比较

3　结论

本文提出了一种圆极化微带贴片天线设计方案。在辐射面上加载耦合短路线来实现尺寸缩减和圆极化。与传统的圆极化微带天线相比，该方案能实现更高增益的圆极化天线或实现更小尺寸的圆极化天线。本文所得结果和结论为圆极化微带天线的设计提供了理论的参考。

参考文献：

［1］薛睿峰,钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展［J］.电波科学学报, 2002（4）: 331- 336.

［2］WATERHOUSE R B. Design and performance of small printed antennas［J］. IEEETrans. Antennas Propagat, 1998, 46（11）: 1629- 1633.

［3］NAKANO H, SUZUKI R, YAMAUCHI J. Low-profile Inverted-F Antenna with Parasitic Elements on an Infinite Ground Plane Microwaves［J］. Antennas and Propagation, IEEE Proceedings, 1998, 145（4）: 321-325.

［4］钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社, 1991.

［5］陈智达,廖林,梁伟均.一种低损耗小型化卫星天线单元:中国, 201420611495.7［P/OL］. 2015-04-29［2015-07-18］. http://www.pss-system.gov.cn/sipopublicsearch/search/searchHome-searchIndex.shtml params=991CFE73D4DF553253D44 E119219BF31366856FF4B152226CAE4DB031259396A.

【责任编辑：周绍缨410154121@qq.com】

A circularly polarized antenna scheme coupled with short route

CHENZhi- da, LIAOLin, PENGShun- quan
（Guangdong ShengLu Communications Polytron Technologies Inc, Foshan 528100, China）

Abstract:In this paper, circularly polarized microstrip patch antenna has been widely used in wireless communications. As loading on the coupling short of microstrip patch radiating long line to get circular polarization microstrip antenna design miniaturization or a small dielectric constant, is proposed two double- fed antenna Compass B3 is designed to verify the effectiveness. HFSS simulation results show that the antenna in 1.268GHz, unit applies adaptive array within Compass, chassis size diameter of 220mm, a traditional antenna is 50×50,ε= dielectric plate 10, a gain of 5.7 dB. The design uses a 35×35,ε= dielectric plate 10, the gain 6.0 dB, size 30% compression; Scheme 2 using the dielectric plate 50×50,ε= 6, the gain is 7.1 dB reduced dielectric constant 40%. Compared with the conventional circular polarization microstrip antenna, the design can be chosen accordingtothe actual programs and higher gain antenna with smaller size antenna scheme

Keywords:microstrip antenna; circularlypolarized; short route roading

作者简介：陈智达（1987-），男，广东佛山人，广东盛路通信科技股份有限公司助理工程师。

收稿日期：2015-09-21

文章编号：1008- 0171（2016）02- 0025- 04

中图分类号：TN82

文献标志码：A