双频双圆极化小型化微带天线的设计*

钱 能

（浙江邮电职业技术学院 通信工程学院，浙江 绍兴 312000）

0 引 言

空间技术的快速发展，使得卫星通信逐渐完善，在人类社会生活中占据重要地位。圆极化天线信号接收能力较强，不易受到外界干扰。在实际运行过程中，电磁波在电离层发生反应产生法拉第旋转效应，使得圆极化微带天线广泛应用于卫星通信系统，也得到了众多研究学者的关注[1]。卫星终端天线对天线体积要求较高，需要采用小型化技术构造。为此，本文提出了一种双频双圆极化小型化微带天线设计。

1 微带天线基本理论

微带天线指的是一种利用薄介质基片构造的金属天线，由两面构成，其中一面是金属薄层接地板，另外一面是特制形状的金属贴片。该贴片采用的制造方法为光刻腐蚀法[2]。目前，应用较多的微带天线有4种类型，包括微带贴片天线、微带振子天线、微带行波天线和微带缝隙天线[3]。其中，微带贴片天线由辐射贴片、介质基板和接地板3部分构成；微带振子天线采用的敷设贴片为细线振子或者片状振子；微带行波天线在微带线发生周期性变化产生辐射时而生成；微带缝隙天线选取微带线耦合馈电作为主要馈电方式完成相应操作[4]。

本文选择微带天线作为研究对象，因为该类型天线与其他类型天线相比存在以下3项优势：

（1）体积小、剖面较薄、形状容易控制、重量轻，在运行过程中不易受到外界干扰，载体机械结构安全性较高；

（2）将器件与有源电路结合到一起形成组件，加工流程简单，成本低，支持批量生产；

（3）支持多频段、双极化、圆极化运行[5]。

2 微带天线基本技术

本文设计的双频双圆极化小型化微带天线采用了3项基本技术，包括微带天线双频技术、微带天线圆极化技术和微带天线小型化技术[6]。本文将对这3项技术进行简要介绍，将其作为微带天线设计的理论基础。

2.1 微带天线双频技术

该项技术指的是同一微带天线支持两种不同频带共同协作综合性通信技术，采用两层结构设计，实现此技术功能的方法如下。

第一，在主贴片上方粘贴寄生贴片，将空气层设置在两层贴片之间，增加了天线厚度。

第二，在主贴片下方粘贴寄生贴片，将该贴片作为主贴片地板，通过调节馈点位置，使得天线得以双频工作[7]。

2.2 微带天线圆极化技术

该项技术是在极化天线与圆极化天线之间建立通信桥梁，在移动通信中应用较多。运行过程中，它不容易受到雨雾干扰，具有抵抗多径反射功效[8]。

工作原理如下：天线工作期间产生两个线极化电场分量，两者互相垂直且具有相等的振幅，相位差值为90°。作用体现在Smith圆图上，通过分析两个简并模，在阻抗曲线中生成尖端[9]。目前，应用较多的圆极化实现方法为多元法、多馈法和单馈法[10]。

2.3 微带天线小型化技术

该项技术主要用来满足电子设备尺寸需求，采用小型化技术以减小微带天线尺寸[11]。目前，应用较多的小型化技术有5个，包括曲流技术、高介电常数介质基板、加载技术、分形结构和超材料[12]。

3 天线结构设计

本文采用微带天线双频技术、微带天线圆极化技术和微带天线小型化技术，设计双频双圆极化小型化微带天线。设计要求：双频段天线设计，包括低频段和双频段；前者工作状态为右旋圆级化，后者工作状态为左旋圆极化；尺寸在40 mm以下，剖面在5 mm左右。考虑到地板强度，本次研究选取厚度为2 mm的铝板作为天线制作材料，两个频段增益控制在3 dBi以上。

为了满足设计要求，本次研究采用双层结构，综合带宽、增益等多种因素，选取Rogers RO3006作为天线材料设计多种组合，经过分析最终确定结构组合方式[13]。

结构1：采用常规圆极化微带天线，不需要对此天线采取小型化处理；

结构2：设计小型化微带天线，此天线四边开不对等；

结构3：设计小型化微带天线，此天线四角开不对等；

结构4：设计小型化微带天线，此天线一侧开有圆形槽；

结构5：IF型微带天线；

结构6：TS型微带天线；

结构7：AS型微带天线。

根据上述结构，采取不同组合方式得到以下设计方案。

（1）结构1（上）+结构1（下）。该方法站在理论角度可行性较高，但是其低介电常数的设置会对天线尺寸造成影响，过大尺寸将不满足小型化要求。如果采用高介电常数，虽然能够满足尺寸要求，但是得到的天线双频较小，导致两层贴片尺寸过近，加大了制造难度。另外，该设计方案天线两端口隔离度不满足要求，位于低频段隔离度约为-3 dB。

（2）结构2（上）+结构2（下）/结构3（上）+结构3（下）。从理论角度看，该方法不可行。上贴片与下贴片之间的电流耦合过于强烈，导致两个不同频段环境下天线无法正常运行，产生严重的频率偏移，且轴比恶化严重。

（3）结构5（上）+结构1（下）。从理论角度看，该方法不可行。采用常规贴片贴于下层，无法与高频贴片匹配，原因为天线容性加载。

（4）结构5（上）+结构4（下）。从理论角度看，该方法不可行。下层贴片设置属于探针过孔，下层贴片设置属于微扰单元，两者无法组合工作。在两个频段中运行，将严重影响天线寿命。

（5）结构5（上）+结构5（下），从理论角度看，该方法不可行。在不同频段下，天线运行过程中，轴比特性将急剧恶化，不满足设计要求。

（6）结构5（上）+结构6（下）。从理论角度看，该方法可行。上层贴片和下层贴片均采用曲流技术，实现了小型化设计。该设计方案满足尺寸要求，根据实际要求灵活调节位置，可以使两个频段相互独立。当TS型天线尺寸固定不变时，通过调节IF型结构，可实现频段的增益调整。

（7）结构6（上）+结构7（下）。从理论角度看，该方法可行。该组合方案与第六种组合方式相似，两者之间差异在于馈电位置的设置。该组合方式是在天线上添加介质螺钉，将其固定到天线上，使得两者之间不留有缝隙。然而，该项操作需要利用螺钉对贴片四角对称位置与天线中心位置进行固定，但是这种固定方式与贴片馈电点位设置不符，所以无法实现。

综上所述，本文采用结构5（上）+结构6（下）组合方式设计微带天线。按照这种组合模式，设计方案如图1所示。

图1 天线结构

如图1所示，微带天线主要由3部分构成，包括接地板、空气层和圆形缺口贴片。首先，在开口左右对称位置设置圆形贴片粘贴点并粘贴贴片，将探针馈电技术作用于贴片上形成微扰，根据实际情况调整馈电位置、缺口宽度、缺口深度，使得分离后的两个空间幅度相同、空间处于正交状态，两者相位差值为90°，实现圆极化特性。其次，在圆形缺口贴片内侧开环构槽形成圆形缺口贴片，要求该贴片满足尺寸大小要求，符合谐振频率要求控制要求。最后，在两贴片正交位置设置缺口贴片位置，以此构建双频端双圆极化。为了使四角窄金属条获取激励，本文在设计微带天线时以内侧贴片为中心，顺时针旋转45°，设置探针馈电作用位置，将内侧+45°窄金属带条、-45°窄金属带条、+135°窄金属带条、-135°窄金属带条分别与外侧贴片连接，在探针馈电作用下产生激励，使得各个带条能够正常工作。

4 参数设计

设底板与介质基之间空气的厚度为h，外侧辐射贴片的外部直径为R1，介质厚度为t，内侧贴片直径为R2；窄金属带条宽度设置为1 mm，用于连接外层贴片和内层贴片。另外，将内部贴片缺口宽度设置为S1，深度为P1，外部贴片缺口宽度设置为S2，深度为P2，中心点与馈电点之间的距离则用r表示。

本次研究设计采用的介质基片厚度为2 mm，通过调节R1来控制介质层贴片低端谐振频率，同时调节R2来控制介质层贴片高端谐振频率，计算公式如下：

式（1）中，ar代表贴片半径，f0代表谐振频率，C0代表光速，εr代表介电常数。本次研究取值1.84。

利用内层贴片微绕量S1、P1与外层贴片S2、P2共同调节谐振点圆极化性能。经过多次调节，设置外层贴片和内层贴片环形槽宽度为d，在RHCP位置设置频段1 280 MHz、在LHCP位置设置频段2 320 MHz，形成双频双圆极化微带天线。

5 小型化分析

本文在设计微带天线时，在切角方形微带的下层位置粘贴L型缝隙，是为了完成小型化处理。通过计算贴片不开槽情况下的贴片尺寸大小，来判断设计方案是否满足小型化设计要求。天线工作频率计算公式为：

式（2）中，c代表自由空间光速，

当微带天线的工作频率达到1.62 GHz时，方形贴片边长为49 mm。通过仿真优化处理后，贴片边长为48.5 mm。本文设计的L型缝隙天线贴片为39 mm，较未处理前，天线尺寸缩小了25.6%，满足小型化要求。

6 仿真测试分析

本次测试的频点为1 280 MHz频点和2 320 MHz频点。前者匹配的圆极化特性为RHCP，后者匹配的圆极化特性为LHCP。图2为中心频率为1 280 MHz的双频带驻波与轴比仿真曲线。

图2 中心频率1 280 MHz双频带驻波与轴比仿真曲线

图3 为中心频率为2 320 MHz的双频带驻波与轴比仿真曲线。

通过观察图2和图3的结果可知，微带天线在1 280 MHz频点实现了双频圆极化。当频带位于1 265～1 325 MHz或2 300～2 355 MHz时，驻波低于2，微带天线在2 320 MHz频点实现了双频圆极化；当频带位于1 270～1 285 MHz或2 305～2 340 MHz时，驻波低于2。

图3 中心频率2 320 MHz双频带驻波与轴比仿真曲线

图4 为中心频率1 280 MHz增益曲线。

图4 中心频率1 280 MHz增益曲线

图5 为中心频率2 320 MHz增益曲线。

图5 中心频率2 320 MHz增益曲线

通过观察图4和图5可知，两个频段下带宽增益在6 dBi以上。可见，本文提出的设计方案符合设计要求。

7 结 语

本文通过分析双频双圆极化小型化微带天线设计要求，将多种结构两两组合，分别展开理论分析，最终选取结构IF（上）+结构AS（下）组合方式设计微带天线结构。该结构主要由接地板、空气层、圆形缺口贴片3部分构成，经过参数设计、小型化分析确定微带天线设计方案。观察仿真测试结果可知，本文提出的设计方案符合设计要求。