宽波束圆极化微带天线设计

姚 菲

(海军装备部，西安 710089)

0 引言

全球卫星定位系统(GPS)天线作为飞机导航系统的射频前端，是整个飞机导航系统的“眼睛”，它的性能直接影响着整个飞机导航系统导航、定位、公共安全/监督、时间标准、绘图、天气和大气信息等性能的优劣。对于机载导航系统来说，低剖面具有中等增益的圆极化微带天线是尤为重要的[1]。而圆极化微带天线的宽波束覆盖比常规圆极化天线更能有效地提高天线接收/辐射能量的覆盖面积。目前公开发表的文献大多重点研究天线阻抗带宽的展宽、增益的提高以及半功率波束宽度的展宽[2-6]，但对于能够提高天线导航信号有效覆盖面积的宽3dB轴比波束宽度的天线研究较少[7-8]。本文所要研究的问题正是如何实现天线的宽3dB轴比波束宽度。

1 天线结构

宽波束圆极化微带天线的整体结构尺寸如图1所示。

图1 天线整体结构示意图

在图1中，该宽波束圆极化微带天线介质基板尺寸为75 mm×75 mm×3 mm (0.395λ0×0.395λ0×0.016λ0，λ0为天线中心频率1.575GHz对应的工作波长)。该天线由三部分组成：金属地板、介质板和辐射贴片。金属地板蚀刻在介质板背面，介质板的相对介电常数εr=3.4，损耗角正切值tanδ=0.018。方形微带贴片蚀刻在介质板正面，尺寸为51 mm×51 mm。与传统微带天线实现圆极化的方式不同，代替传统的三角形切口，该微带贴片的四个角分别蚀刻了四个半径不同的扇形切角，其半径分别为7.9mm、4.1mm、3.9mm、3.2mm。馈电点位于+y轴，距离贴片中心9.5mm。围绕切口顺时针旋转，使天线右旋圆极化波覆盖范围扩大，同时抑制了天线左旋圆极化波，且扇形微扰切口，使贴片上的电流在贴片边缘流转平滑，能够进一步改善天线的圆极化方向图。通过简单的切口变换，使天线实现了圆极化特性，还可通过调整扇形切角的半径展宽天线圆极化波束宽度。

为了更好地了解该天线的工作原理，图2给出了该宽波束圆极化微带天线在1.575GHz工作时的电流分布。从图中可以看出，该贴片上的电流矢量随时间变化逆时针旋转。这表明该天线电流满足右手法则和圆极化时间空间正交的条件，即该天线的极化方式为右旋圆极化。图3给出了切口半径不同时，天线最大辐射方向上的轴比。从图3(a)中能够得出，当增加r1，贴片有效辐射面积变小，谐振频率向低频移动，当r1=7.9mm时，天线谐振，两个正交模幅度相等、相位相差90°，天线轴比在中心频点处达到最小。增大或减小r1的大小，天线的轴比值均变差。从图3(b)～(d)中可以看出，r2、r3和r4对天线轴比特性的影响与r1类似。

图2天线在1.575GHz工作时的电流分布

(a)r1(b)r2

(c)r3(d)r4

图3天线轴比随切口半径变化曲线

2 天线仿真与测试结果分析

为了验证天线仿真结果，制作了天线相应的试验样机，如图4所示。

图5给出了天线电压驻波比、轴比、增益随频率变化的仿真和测试结果图。

图4 天线样机

由图5可知，在1.556～1.634GHz范围内，宽波束圆极化微带天线仿真和测试的电压驻波比均小于2.0。在1.566～1.579GHz范围内，天线仿真和测试的轴比小于3.0，增益大于5.9dB，仿真和实测结果较为吻合。

图6给出了天线工作在1.575GHz时，天线xoz面的仿真和测试轴比曲线。从图中可以看出，天线仿真的xoz面3dB轴比波束宽度为165°，测试的xoz面3dB轴比波束宽度为147°，由于加工误差和测试环境不完美导致仿真测试结果相差18°，但与文献[4]-[6]中常规圆极化天线3dB轴比波束宽度覆盖范围不到115°相比，仍满足天线宽圆极化波束特性。

图6 天线xoz面的仿真与测试轴比(1.575GHz)

图7给出了天线工作在1.575GHz时，天线xoz面和yoz的仿真和测试方向图曲线。从图中可以看出，天线产生的圆极化波的极化方式为右旋圆极化。当天线工作在1.575GHz时，3dB波束宽度为60°，其最大辐射方向上交叉极化比为-29dB。

3 结论

本文对应用于机载导航系统的一种新型宽波束圆极化微带天线进行了设计、加工制作和测试。天线实验样机的电特性测量结果表明：天线在1.566～1.579GHz工作频带内电压驻波比小于2.0，轴比小于3dB，增益大于5.9dB，带内增益稳定，3dB轴比波束宽度大于147°，实现了宽圆极化轴比波束宽度的辐射特性，符合机载平台的应用要求。

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