一种具有宽角轴比特性的圆极化天线设计

中国电子科技集团公司第五十四研究所 郭丽江 吴 旭 赵东贺 孙 良

0.引言

随着卫星通信和卫星导航系统技术的快速发展，对与之配套的的圆极化天线的要求越来越高，为了提高卫星通信和导航系统的接收灵敏度与定位精度，要求地面接收圆极化天线具有较宽的覆盖波束，在波束范围内有好的轴比特性。文献[1-4]表明通过设计四臂螺旋、十字交叉振子和微带天线等天线形式均可实现宽波束的圆极化天线，其中微带圆极化天线因为具有体积小、重量轻、低剖面、低成本、易于实现量产和易于与微带线路集成等众多优点得到了更加广泛的关注和应用。但微带天线易受金属底板尺寸和使用环境的影响，微带天线低仰角轴比特性通常比较差[5-6]，严重阻碍了其实用化程度。因此，如何提高微带圆极化天线的宽角轴比特性是当前天线领域的一个研究难点。

针对微带圆极化天线低仰角轴比特性差的问题，研究并设计了一种双馈点宽波束圆极化微带天线，采用单层方形贴片微带天线，利用微带贴片的两个馈电点来激励一对极化正交的简并模，通常采用带90°相位差的威尔金森功分器网络实现双馈电点振幅相等、相移90°的信号输入，实现圆极化辐射。为达到改善天线宽角轴比的特点，在天线周围增加金属腔结构，增加金属腔结构同时降低周围环境对天线性能的影响。重点在金属底板结构上有所创新，采用有一定数量的金属槽加载的金属底板作为天下微带天线的地板。通过金属槽加载该变天线内电场分布实现指标的优化，完成了具有宽角轴比特性的微带天线设计。研制了天线原理样机，并进行了测试，测试结果达到使用要求。

1.天线的组成和原理

天线结构如图1所示, 天线主要由金属腔，圆极化网络、介质基片和接插件等4部分组成，天线外廓尺寸为100mm×100mm×12mm。采用双馈点的圆极化微带天线形式，利用微带贴片的两个馈电点来激励一对极化正交的简并模，实现圆极化辐射。考虑到天线的使用要求，对天线小型化要求较高，因此微带天线单元采用高介电常数的介质板，通过增加介质厚度来展宽天线的工作带宽，天线的匹配特性可通过调整金属贴片的大小和介质板的厚度获得，为改善天线安装环境对天线性能的影响，在微带天线外侧加入金属腔，微调金属腔内尺寸和高度，可展宽天线波束和抑制载体表面波。天线的圆极化馈电网络采用带90°移相的威尔金森功分器，网络示意图如图2所示，馈电网络层印制板厚度为1mm。馈电网络与微带天线共用金属地板，通过穿过金属地板开孔的金属插针连接。为了改善天线的宽角轴比特性，微带天线的金属地板四角增加一定数量的金属槽加载，通过调整金属槽的尺寸和数量使天线的宽角轴比特性达到最优。

图1 天线组成示意图

图2 天线圆极化网络示意图

2.天线的仿真设计

为了实现天线具有宽角轴比特性的圆极化天线，首先设计了双馈点的方形贴片的的圆极化天线，采用单层贴片无法获得足够的工作带宽，使用增加介质层的厚度即可解决这一问题，通过优化贴片与金属底板之间介质层的厚度，可使天线获得良好的匹配特性图中给出了介质层的厚度不同厚度电压驻波比的仿真结果，可看出介质层厚度越厚是带宽越宽，考虑天线的成本和重量，介质层厚度选取时d=3mm时，天线已获得了良好的匹配特性。

图3 天线驻波比示意图

图4 天线轴比仿真结果

为了得到较为理想的宽波束轴比性能，分别仿真了单层微带贴片天线形式的宽角轴比性能和金属腔金属腔内单层微带贴片天线宽角轴比性能的影响，如图4所示，增加金属腔后天线的宽角轴比得到改善，根据仿真结果，天线轴比在±80°内≤3.5dB。

为进一步改进天线的宽角轴比，通过在金属底板增加金属槽加载的方式改善天线的宽角轴比性能。在金属底板增加金属槽后，改变了天线的电场分布，合理的设计金属槽的尺寸和金属槽的分布，达到改善天线的宽角轴比的效果，最终天线辐射贴片尺寸为56mm×56mm，介质板厚度为3mm，天线金属腔尺寸为100mm×100mm×10mm，金属槽数量为8条，分布于金属底板四角处，槽宽1mm，天线仿真结果如图5、图6所示，由仿真结果可知，增加金属槽加载后，天线轴比在±80°内≤2.6dB。

图5 天线轴比仿真结果

图6 天线方向图仿真结果

圆极化馈电网络采用带90°相位差的威尔金森功分器网络实现双馈电点振幅相等、相移90°的信号输入，通过优化设计，圆极化馈电网络络在需要的频段内具有良好的幅度、相移特性。

3.天线样机测试

根据仿真结果，加工了天线样机，并对天线进行了测试，天线样机测试图如图7所示。

图7 天线样机照片

图8 天线样机驻波比测试结果

图9 天线样机轴比测试结果

图10 天线样机H线极化方向图测试结果

测试结果如图8～图10所示，天线驻波比在工作带宽内小于1.5，天线在±80°内轴比≤3dB,天线轴向增益6dBi，在±80°内增益≥-2dBi，天线具有良好的宽角轴比特性。

4.结论

本文介绍了一种具有宽角轴比特性的圆极化天线。天线单元采用双馈点微带圆极化天线结构，通过增加金属腔和金属底板的金属槽加载等方式，使天线的具有良好宽角轴比特性。实测结果表明天线增益、驻波比、宽角轴比均取得了良好的结果。该天线同时可作为相控阵单元或者大型阵列的单元使用，在卫星通信领域具有良好的的应用价值。

[1]谢处方,邱文杰等.天线原理与设计,1985(1).

[2]白旭东，曹岸杰，唐晶晶等.一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计[J].中国电子科学院学报,2002(1).

[3]陈玉林.一种新型宽波束双圆极化天线的设计与仿真[J].火控雷达技术,2014(1).

[4]钟顺时.天线理论与技术,2011(8).

[5]梁剑锋,常立新,刘宁,韩国栋.一种卫星移动通信双极化微带贴片天线[J].电子科技,2014(5).

[6]杨国栋,,宋跃.一种宽带宽波束双圆极化天线的设计[J].电子科技,2015(6).

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