小曲率锥台共形微带圆极化天线阵列设计

姚凤薇

(上海电机学院 电子信息学院, 上海 201306)



小曲率锥台共形微带圆极化天线阵列设计

姚凤薇

(上海电机学院 电子信息学院, 上海 201306)

在电小尺寸锥台上，设计并实现了一款工作于全球定位系统(GPS)L1频点和北斗卫星导航系统B1频点的锥台共形水平全向圆极化微带天线阵。采用高频结构仿真(HFSS)软件进行仿真，优化共形天线带宽及其圆极化性能。加工了实物天线阵样机，测试结果表明，该天线阵在(1.32～2.0)GHz频段内驻波比≤2，在GPS L1频点和北斗B1频点处，水平全向增益最大值分别为-0.7dB和-0.9dB，增益不圆度小于2.1dB。实测结果证明，该天线具有良好的水平全向圆极化辐射性能，满足工程需要。

共形; 圆极化; 天线阵列

微带天线具有剖面低、质量轻、易于批量生产、便于与曲面共形等优点[1-3]，可以充分地利用载体表面空间制成与各种航空、航天、舰船及地面车辆等载体表面共形的结构。制成后的表面共形结构具有保持载体良好的气动性能、节约空间等优点，在导航、通信等领域具有广阔的应用前景[4-10]。因此，共形微带天线作为微带天线的重要分支，一直是人们研究的热点。

目前，卫星导航信号多为工作在L波段的圆极化信号。一般认为，当共形安装的载体半径大于1个波长时，可忽略载体曲率对微带天线的影响，采用平面模型[11-12]；但当载体尺寸为电小尺寸，将天线弯曲共形于锥台表面时，天线性能受载体的表面材质和形状影响不可忽略，尤其曲率半径变化对天线圆极化性能的影响更为明显，会发生一定的频率偏移[13-15]。

本文选取双馈点的微带贴片天线单元，采用基于有限元法的电磁数值计算和工程调试相结合的方法，设计实现了三单元的电小尺寸锥台上的共形全向圆极化导航天线阵列，具有较宽的带宽和不大于3.5dB的增益不圆度。加工天线样品并进行测试，实测结果表明，该天线在全球定位系统(GPS)L1和北斗卫星导航系统(简称“北斗”)B1频点上具有良好的辐射性能，满足工程应用需要。

1　双馈点圆极化天线单元设计

单馈点的微带圆极化天线带宽约为1%，为了同时覆盖GPS和北斗两个工作频段，本文设计采用了如图1所示的双馈点圆极化微带结构。该结构利用了2个馈电点来激励一对极化正交的简并模，再通过威尔金森功率合成网络来保证圆极化工作条件，即两模振幅相等、相移90°。在功率合成网络中添加了电阻，既提高了2个馈电点间的隔离度，又保证了天线单元在工作频带内具有很好的阻抗及轴比特性。该双馈点天线单元轴比带宽宽，虽然威尔金森功率合成网络中添加的电阻会减小天线增益2dB左右，但是，辐射特性仍满足工程应用的要求。

由于需要与最大口径D=120mm的锥台共形安装，经过比较选择了介电常数为2.2，厚度为0.508mm的介质基板。图1所示的图形印制在介质基板的一面，另一面为金属地。

图1　平面双馈点圆极化天线示意图Fig.1　Planar structure of dual-feed antenna unit

图2为天线中心频率E面和H面方向图。由图可见，该平面天线为单向辐射，两波束宽度分别为77°和83°，因此，当3个贴片共形于锥台一周时，波束会出现一定起伏。

图2　平面天线计算方向图Fig.2　Simulated radiation pattern of planar antenna unit

2　小曲率锥台共形天线阵列设计

锥台载体最大半径为60mm，锥体高150mm。图3为采用上述天线结构的锥台面共形结构示意图。为了实现较好的全向辐射，设计中采用了并联的三单元阵列形式，如图4所示，功分网络为简约的一分三路均匀分布结构形式。为了保证馈电点到每个单元的幅度相同，每个与单元连接的微带线均选择相同的宽度，馈点到每个单元的微带线长度相同或相差1个波长。

图3　锥台共形天线阵列示意图Fig.3　Structure of conical conformal array

图4　共形天线阵列展开平面示意图Fig.4　Planar structure of conical conformal antenna array

经计算，天线与载体共形后，谐振频率向高端偏移，表面电流发生变化。为了改善天线阵单元的工作频段的圆极化性能，分别利用高频结构仿真(High Frequency Stucture Simulator, HFSS)软件对天线宽边、长边、功率合成网络进行仿真分析，最终得到如图5所示的驻波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)和轴比计算曲线。由图可见，在1.33～2.10 GHz频段内，VSWR≤2，而轴比小于3dB的带宽为360MHz(即1.33～1.69GHz)，有效地覆盖了GPS L1频点(1.575GHz)和北斗B1频点(1.562GHz)。

图5　驻波和轴比计算曲线Fig.5　Simulated VSWR and axial-ratio curve

图6为计算得到的中心频点归一化方向图。由图可见，天线呈现较好的全向辐射特性，轴向增益不圆度为2.1dB。

图6　水平向计算方向图Fig.6　Simulated radiation pattern in horizontal direction

3　共形天线阵列测试结果

根据计算结果加工了实物，并对其性能进行测量。天线驻波仿真曲线与实测曲线基本吻合，实测曲线略偏向低频，在1.32～2.0 GHz频段内VSWR≤2，同时覆盖GPS L1频点和北斗B1频点，这主要是由于在测试时引入了SMA接头，这在仿真计算时未予考虑。

采用标准右旋圆极化天线对天线样机进行测试比较，天线在GPS L1频点(1.575GHz)的水平方向图如图7所示。由图可见，天线周向最大增益为-0.7dB，水平向最小增益为-2.8dB，不圆度为2.1dB。而实测增益较计算得到的最大增益小了约0.5dB，这主要是由两部分引起的：① 介质板本身的损耗；② 对共形微带天线测量时，最大增益的校准存在一定的误差，且在较低频率下，天线测试受环境的影响较大。

天线在北斗B1频点(1.562GHz)的测试曲线与图7基本相同，增益略低了0.2dB，这里不再赘述。

图7　GPS L1频点测试水平向方向图Fig.7　Measured radiation pattern in horizontaldirection at GPS L1 frequency

根据上述分析可见，驻波仿真结果与测量结果吻合良好，方向图的仿真结果和实验结果有一些差异但也大致吻合。

4　结　语

本文设计了一款小曲率锥台共形的全向圆极化微带天线阵列。实测结果表明，该天线在(1.32～2.0)GHz频带内VSWR≤2，在GPS L1和北斗B1频点处，水平全向增益最大值分别为-0.7dB 和-0.9dB，增益不圆度≤2.1dB，具有良好的水平全向圆极化辐射性能，对圆极信号有良好的接收能力，满足工程实际应用需求。

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[15]杨晓冬，许波，白玉，等.水平全向共形微带天线的设计.微波学报，2010(s2)：230-233.

Design of Conical Conformal Circular Polarized Antenna Array on Electrically Small Sized Cone

YAO Fengwei

(School of Electronic Information Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

A conical conformal circular polarized (CP)antenna array on an electrically-small sized cone is presented for the GPS L1 frequency (1.575GHz)and BeiDou B1 frequency (1.562GHz)to realize omni-radiation in horizontal direction.Simulation results of standing wave ratio and radiation patterns are presented by using high frequency structure simulator(HFSS).The measured results show that voltage standing wave ratio(VSWR)is less than 2 in the band of 1.32GHz～2.0GHz, the maximum CP gain of the horizontal direction is-0.7 in L1 frequency point and-0.9dB in B1 frequency point，and the out of roundness of the radiation pattern is less than 3.5dB.It shows the antenna has good CP omni-radiation performance in horizontal direction, which can meet the demand of engineering use.

conformal; circular polarization; antenna array

2015-05-06

国家自然科学基金项目资助(61201116)

姚凤薇(1979-)，女，讲师，博士，主要研究方向为电磁场与微波天线，E-mail：jojoyao@163.com

2095-0020(2016)04-0197-04

TN 822.4

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