圆极化微带天线技术

2016-11-04杨小平,杨杰,叶良丰

中国科技信息 2016年15期

关键词：圆极化馈电贴片

圆极化微带天线技术

圆极化天线的原理和特点

能够接收和辐射圆极化波的天线称为圆极化天线。圆极化波可以分解为两个在空间和时间相互正交的等幅线极化波。实现圆极化工作的原理为：产生两个等幅且相位相差90°的线极化电场分量。

圆极化微带天线在卫星导航定位、遥感遥测以及雷达技术中得到广泛应用，不仅因为微带天线具有体积小、剖面低、便于加工等特点，更重要的是因为圆极化天线具有以下特点：

（1）圆极化天线能够接收任意极化形式的电磁波，其辐射的圆极化波也能够被任意极化的天线接收。这一特点使圆极化天线在电子侦查和干扰中广泛应用；

（2）圆极化天线具有旋转正交性，即天线辐射电磁波与接收电磁波的旋向是一致的，这一性质可应用于电子对抗和雷达的极化分集中；

（3）当圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时，其反射波旋向反转。这一性质使圆极化天线具有抑制雨雾干扰的能力，并能够增加通信容量。

圆极化微带天线实现方法

微带天线的结构相对简单，贴片结构的灵活性比较大，在实现圆极化方面具有很多方法，常用方法有：单点馈电实现圆极化、多点馈电实现圆极化和多元法实现圆极化。

单馈实现圆极化

微带天线采用单点馈电实现圆极化，其结构简单，便于加工，与多点馈电相比，简化了馈电电路，减小了能量的损耗。在实际应用中具有很重要的意义。目前已有大量文献对单点馈电实现圆极化进行了研究。下面以矩形贴片为例，介绍微带天线采用单点馈电实现圆极化的原理。

设矩形贴片的尺寸为a× b 。那么TM01和TM10模在沿着z轴方向的辐射场就会形成正交的分量，将这两个模选为主模。其辐射的电场为：

在上式中：

上式中假设馈电探针的等效宽度为d0≤a 。

对于z轴方向，θ=φ=0，可得：

可见，TM01模和TM10模在边射方向上的电场矢量是相互正交的。两个正交极化的电场Ey和Ex，其比值为：

为了使波能够在边射方向圆极化辐射，那么就要求两个正交极化的简并模同时激励起来。并要求：

将矩形贴片近似取于方形，即0＜（a-b）≤b 。此时有：

选择合适的频率，使得

则TM01模和TM10模的场都能得到比较强的激励。此时式（6）就可以近似成下面的式子：

式中：

因此，如果要辐射圆极化波，激励的条件就化为：

这就要求k-k10比k-k01超前或者滞后π/2，而且应有：

通常情况，单点馈电实现圆极化的微带贴片天线会引入微扰Δs 来产生圆极化。Δs 也称为简并分离元，它可以是正的（Δs＞0），也可以是负的（Δs＜0）。选择合适大小的简并分离元Δs，辐射贴片的两个主模就能形成90°的相位差。常见单点馈电的形式如图1所示。

多点馈电法实现圆极化

多点馈电实现圆极化的方法是利用多个馈电点对天线的辐射贴片进行馈电。一般多点馈电实现圆极化都需要额外的馈电电路。馈电电路的作用就是产生一对幅度相等，相位差为90°的信号，作用在天线的辐射贴片上，产生一对正交的简并模。

在双点馈电中，T型接头是最简单的形式。馈电的两个支路之间在长度上相差四分之一个波长，以产生90°的相位差，而两路信号的幅度相等，以此使天线辐射圆极化波。其结构如图2（a）所示，激励起的两个模式分别为TM01模和TM10模，两个支路的输入阻抗分别记为Ra和Rb，并且有Ra=Rb。那么各段微带线的特性阻抗满足下面的关系：