基于小型化HIS 结构的宽波束微带圆极化天线设计

丁 航，陈凯亚，程友峰，廖 成

（西南交通大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610031）

0 引 言

近年来随着卫星通信、宽角扫描雷达、射频识别等领域技术的发展，移动通信高性能天线的研制受到越来越多的关注。圆极化天线具有辐射效率高、抑制雨雾干扰及抗多径反射等一系列的优点，在卫星通讯、指挥及控制系统、电子对抗、GPS 等众多军民领域中得以广泛应用[1]。宽角度扫描相控阵系统需要在广空域扫描的过程中保持高探测能力，要求天线单元具有宽波束角度覆盖的特性，卫星导航定位中低仰角的信号对于目标定位的精确性具有重要作用[2]。随着通信技术的发展，通信设备尺寸也越来越小，小型化依然是天线设计的主要趋势[3]。

为了展宽圆极化天线的波束宽度，国内外学者进行了相关研究并提出了一些方法，如采用微带介质天线结构[4]，加载寄生环单元[5]、平面阿基米德螺旋天线[6]等方法。文献[7]采用交叉偶极子外加金属背腔反射器的结构。但该天线结构较复杂，需要馈电网络实现圆极化特性，尺寸较大、剖面较高，不易于共形和集成在卫星通信系统中。文献[8]提出了一种应用于卫星通信的基于超表面覆盖层的宽带耦合缝隙天线，天线具有低剖面和紧凑结构，实现了宽频带与宽轴比带宽的特性。该天线结构参数对性能影响较大，优化设计过程较复杂。HIS 结构是超材料周期性结构的一种，在微波设计中具有很高的研究价值，其具有同相反射相位特性，可应用在天线上减小其剖面高度，提高天线的工作带宽，同时抑制天线主瓣与旁瓣之比以提高天线辐射效率[9-11]。

本文设计了一种基于高阻抗表面结构的宽波束圆极化微带天线。在实现天线的宽轴比波束宽度特性与高前后比特性的同时，满足卫星通信终端天线的小型化与便携移动的工作需求。该天线以方形微带贴片作为辐射单元，使用同轴背馈的方式，采用设计的小型化HIS 阵列结构作为天线的反射器，使得该微带圆极化天线在工作频率为5.8 GHz 处E 面与H 面轴比波束宽度提升了30°～40°，实现了天线结构的低剖面与小型化设计。

1 天线设计原理

1.1 辐射贴片设计

本文设计的天线采用方形贴片作为辐射单元。基于空腔模型理论，规则贴片的对角上切角给原空腔模型加入几何微扰，微扰单元使矩形贴片的两个极化正交的简并模TM10模与TM01模分离，选取合适的尺寸会使两个分量等幅，相位相差90°，从而实现圆极化辐射[11]。介质基片材质相对介电常数为2.65。微带贴片结构如图1所示。

图1 微带贴片图示

1.2 小型化HIS 结构设计

图2 为特定周期性结构的等效电路模型，利用电抗性元件周期性加载的传输线表示。高阻抗表面表示的电磁特性可由集总参数元件等效并联LC 谐振电路来分析。传统的蘑菇型HIS 结构如图3a）所示，当其受到外界电磁能量激励时，感应电流分布在表面结构与金属化过孔上形成电感，金属贴片边缘集聚电荷使金属贴片之间产生电容[12]。

图2 周期性结构的等效电路图

图3 HIS 结构图

具体的等效电路物理量计算公式为：式中：w表示金属贴片的边长；g表示金属贴片之间的间隙长度；h表示介质基板的厚度。

HIS 结构的等效谐振电路的谐振频率为：

图3b）为设计的小型化HIS 单元结构。单元的结构参数分别为a，Ls，W s，h1，单元结构的间隙为gap，HIS 结构所在的介质层采用与微带天线相同的材质。相比传统的蘑菇型HIS 结构，此种小型化单元结构除去了金属化过孔，采取在方形金属片各边上开双槽的方式达到结构紧凑而简单的特点。加载槽线通过增加结构的表面电流路径来提高HIS 结构的等效电感，使得HIS 结构的谐振频率降低。根据周期长度与谐振频率的关系，从而实现HIS 结构的小型化，单元尺寸相比传统蘑菇型结构减少了30%左右。

1.3 加载小型化HIS 结构反射器的天线设计

采用设计的小型化HIS 单元，经过与普通金属板反射器的面积比较，确定HIS 结构采用4×4 阵列形式，能够有效减少HIS 结构单元数，实现整体天线的小型化设计。HIS 阵列结构与天线的距离为h3，经过设计优化表明其在距离微带贴片0.029λ0的位置保持天线各项性能良好。加载HIS 结构后的天线整体结构如图4所示。

图4 天线整体结构图

经过对微带贴片和高阻抗表面的物理结构参数仿真优化得到满足预期指标的各参数数值，记录在表1 中。

表1 天线结构参数

2 天线仿真与分析

2.1 HIS 阵列结构拓展轴比波束宽度分析

图5 和图6 为未加载HIS 阵列结构与加载HIS 阵列结构的天线性能表现。

仿真结果显示，加载小型化HIS 阵列结构后天线的-10 dB 阻抗带宽为4.97%（5.69～5.98 GHz），3 dB 轴比带宽为1.21%（5.76～5.83 GHz）。图7 为加载与未加载HIS 结构的天线轴比方向图，在E 面上轴比小于3 dB 波束宽度由原来的158.3°增加到205.3°，H 面上轴比小于3 dB 波束宽度由原来的165.4°增加到200.4°。实现在E 面与H 面上的宽轴比波束特性。轴比方向图相比前者，曲线变得平缓，意味着在低仰角情况下天线对信号的接收响应会变好。采用设计的HIS 阵列结构作为反射器可抑制天线后瓣从而提高前后比，兼有拓宽轴比波束宽度的作用。

图5 加载与未加载HIS 阵列结构的S11 曲线

图6 加载与未加载HIS 阵列结构的远场轴比曲线

2.2 基于HIS 阵列结构的方向图对比

软件仿真得到单独微带天线的方向图与加载HIS阵列结构后的方向图特性。图8 显示的为加载与未加载HIS 结构的天线辐射方向图，可以看出，原微带天线单元的最大增益为5.81 dB，加载HIS 结构后天线的最大增益提高到了6.99 dB，同时，天线的前后比由8.3 dB提高到了29.7 dB。结果表明辐射后瓣受到很好的抑制。

图9 显示的是加载HIS 阵列结构天线在工作频率5.8 GHz 处xOz面与yOz面的主极化与交叉极化方向图。相比微带贴片，在后瓣方向上的天线交叉极化电平大大降低了。该天线辐射右旋圆极化波，在±90°范围内交叉极化比大于30 dB，交叉极化电平很低，远场辐射具有很好的极化纯度。

图7 加载与未加载HIS 阵列结构的轴比方向图

图8 加载与未加载HIS 阵列结构的增益方向图

图9 主极化与交叉极化方向图

3 结 语

本文设计了一种基于小型化HIS 阵列结构反射器的宽轴比波束圆极化微带天线。该天线的整体尺寸为0.68λ0×0.68λ0×0.08λ0，结构具有低剖面特性，天线方向图具有较低的后瓣，能够抵抗来自地面的电磁干扰。仿真结果表明，天线在5.8 GHz 处有良好的阻抗匹配与圆极化特性，在5.69 ～5.98 GHz 频率范围内的S11＜-10 dB，在5.76～5.83 GHz 频率范围内的AR＜3 dB。在5.8 GHz 处，前向最大增益为6.88 dB，前后比为29.7 dB。E 面与H 面满足AR≤3 dB 的波束宽度为205.3°，200.4°。该天线具备宽轴比波束，低增益损失的特性，能够应用于宽角扫描相控阵雷达和卫星通信系统等领域。