新型宽带宽波束圆极化卫星导航终端天线的设计与实现*

李 霞，孙国莉，李 勋

(天津航天中为数据系统科技有限公司·天津·300301)

0 引 言

圆极化天线凭借其接收卫星信号时具有抗雨雾和抗多径干扰的特性，受电离层法拉第旋转效应的影响较小，由载体姿态变化引起的极化失配损耗小等优点，被广泛应用于卫星通信领域。GPS导航、测距和远程遥感等应用，需要天线在整个上半空域具有近似一致的响应，并具有较高的低仰角增益，以补偿该区域较大的自由空间损耗[1]。同时，需满足采用单天线覆盖卫星通信、GNSS和移动通信等多个系统应用的需求，促使宽频带宽波束圆极化天线的研究具有重要的工程应用价值[2-5]。

研究表明，采用多臂螺旋天线[6]、折尾十字交叉振子天线和基于超表面[7]等形式可实现宽圆极化波束宽度设计，但工作频带难以满足宽带应用需求；通过利用交叉偶极子天线的演变形式[8]以及在其基础上增加寄生单元的方法[9-11]，可有效展宽轴比(Axial Ratio, AR)小于3dB的工作频带，但圆极化波束宽度有待展宽；文献[12]提出了利用磁偶极子与电偶极子方向图互补叠加原理实现宽频带宽波束设计的方法，但该形式的磁电偶极子实现圆极化馈电的结构复杂，工程适用性不足。文献[13-14]采用正交移相网络对磁偶极子加载的电偶极子进行了馈电，分别利用矩形背腔、波纹边缘矩形背腔展宽了圆极化波束宽度，实现了26.7%和45.3%的轴比AR<3dB的带宽。同时，在26.7%和19.5%的带宽内，圆极化波束宽度达到了165°。基于上述文献采用的设计方案，本文采用正交移相馈电网络对双面印刷的正交偶极子天线进行了激励，实现了天线的圆极化辐射设计。同时，利用磁偶极子对电偶极子耦合加载的方式，使天线轴比小于3dB的带宽达到了29.5%，使AR<3dB的波束宽度大于180°，实现了天线宽频带宽角域圆极化辐射的设计。

1 设计方案

根据圆极化波的基本理论，两个相互正交、振幅相等、相位相差90°的线极化波可以合成一个圆极化波。交叉偶极子天线可产生两个相互正交的线极化波。通过改变两个正交阵子的长度实现自相移，或者利用功分移相馈电网络进行等幅相位相差90°的馈电，可产生圆极化辐射波[15]。其中，通过调节阵子长度改变自身阻抗虚部实现阵子间90°相位差的方法对频率变化非常敏感，难以满足宽频带设计的需求。本文采用双面印刷的正交偶极子天线结合正交移相馈电网络，实现了天线的圆极化辐射，同时利用磁偶极子对其加载以实现宽频带宽角域圆极化的辐射性能，天线结构如图1所示。天线由正交偶极子、磁偶极子、圆形背腔、四个短路柱和同轴馈线构成。

图1 天线几何模型图Fig.1 Geometry of proposed antenna

正交偶极子由刻蚀在介电常数为2.55、厚度为1.14mm的介质板上的四个阵子臂构成，分别位于顶层和底层的两对正交偶极子臂通过长度为四分之一波长的圆环实现连接，分别形成90°的激励相差。同时，利用同轴线在天线中心进行单点馈电，同轴外导体与底层偶极子相连，同轴内芯与顶层偶极子相连，使得四个阵子臂具有0°、90°、180°、270°的激励相位差，可实现天线的右旋圆极化辐射特性。上述圆极化正交偶极子天线的轴比带宽较窄，通过在顶层临近阵子臂的位置加载四个与正交偶极子强电磁耦合的矩形贴片，可在轴比随频率变化的曲线中增加一个轴比谐振点，从而有效展宽圆极化的工作带宽，为进一步在该天线宽带圆极化特性的基础上展宽圆极化波束的覆盖范围，将四个接地短路柱与顶层的寄生矩形贴片连接等效为磁偶极子。根据电偶极子和磁偶极子方向图互补叠加原理，将磁偶极子对交叉偶极子进行加载，可实现交叉偶极子E面方向图与磁偶极子E面全向图的方向图叠加，从而有效展宽圆极化波束宽度。同时，天线的E面和H面方向图具有良好的对称性。天线背腔的加载在有效提高天线的前后辐射比的同时，会对天线的圆极化辐射性能产生影响。电偶极子天线的后向辐射至背腔表面，将产生感应电流，而背腔的结构形式将影响感应电流的分布，从而影响反射波的电场分布。经过仿真对比矩形背腔加载和圆形背腔加载对天线圆极化波束宽度的影响，本文选用了几何对称性良好的圆形背腔对天线进行加载，在提高增益的同时进一步有效展宽了AR<3dB的波束宽度。

2 天线仿真与实现

根据上文所述设计方案，结合实际工程应用中天线安装底座、天线罩、连接器、安装螺钉等结构对天线性能的影响，在Ansoft HFSS电磁仿真软件中建立了如图2所示的仿真模型，以进行优化设计。通过分析正交偶极子、馈电圆环、磁偶极子等部分的结构参数对天线电性能的影响，发现调节馈电圆环的半径、偶极子的长度、磁偶极子距离偶极子的间距等参数，可控制电偶极子与磁偶极子工作的幅度和相位，从而对轴比带宽和圆极化波束宽度产生重要影响。同时，背腔的高度和距离辐射口径的距离会影响圆极化波束宽度和天线增益，背腔距离辐射口径的距离通常取对应于中心频点的四分之一波长。天线的阻抗带宽主要受馈电圆环的线宽和印刷阵子宽度的影响。通过调节天线结构的主要参数，对阻抗带宽、轴比带宽、圆极化波束宽度、增益等指标进行联合优化仿真，天线的主要参数为：磁耦极子的宽度Wp=36.8mm，交叉偶极子的长度和宽度分别为Ld=32mm、Wd=7.6mm；交叉偶极子与磁耦极子的间距Sd=1mm，磁偶极子短路探针的位置参数Dx=9mm，背腔的高度和直径分别为Hc=32mm、Rc=126mm，馈电圆环的半径Rf=3.9mm，加工的实物图如图3所示。

图2 天线仿真模型Fig.2 Simulation model of the proposed antenna

图3 天线加工实物图Fig.3 Photograph of the proposed antenna

在微波暗室中对天线的方向图和回波损耗进行测量，由矢量网络分析仪测得的天线馈电端口的输入反射系数S11和仿真数据如图4所示。从图4可以看出，天线在50.7%的相对带宽内S11<-10dB，仿真的S11与实测数据的一致性较好。各频点的仿真与实测E面的轴比方向图如图5所示。从图5可以看出，天线在1.3～1.75GHz频带内AR<3dB的圆极化波束宽度大于180°，且仿真与实测数据的一致性较好。

图4 天线的仿真与实测S11数据Fig.4 Simulation and measurement S11 of the proposed antenna

(a)频率f=1.3GHz

(b)频率f=1.5GHz

(c)频率f=1.75GHz图5 仿真与实测E面轴比方向图Fig.5 Simulation and measurement axial ratio pattern in E plane

天线各频点的仿真与实测E面右旋圆极化方向图如图6所示。从图6可知，在1.3～1.75GHz频带内最大辐射方向增益≥6.6dB，验证了采用背腔加载提高天线前后辐射比的有效性。图7所示为频率为1.5GHz时E面的主极化和交叉极化的仿真方向图与实测数据的对比，以及E面与H面主极化方向图的对比。从图7可以看出，天线的E面与H面方向图对称性良好，同时具有较低的交叉极化电平。

(a)仿真E面右旋圆极化方向图

(b)实测E面右旋圆极化方向图图6 仿真与实测E面右旋圆极化方向图Fig.6 Simulation and measurement right-hand circular polarization radiation pattern in E plane

图7 频率为1.5GHz时E面与H面的方向图特性Fig.7 Radiation pattern in E plane and H plane at 1.5GHz

3 结 论

本文提出了一种实现宽带宽圆极化波束卫星导航终端天线的设计方法，通过采用正交相移网络对交叉偶极子馈电形成了右旋圆极化辐射，同时利用磁偶极子和反射背腔对交叉偶极子进行了加载。仿真与实测验证表明，在1.25～2.2GHz的频带范围内满足S11<-10dB；在1.3～1.75GHz的频带内轴比小于3dB，圆极化波束宽度≥180°，增益≥6.6dB，而且天线在工作带宽内的E面和H面方向图的对称性与稳定性良好，实现了宽频带宽圆极化波束宽度的辐射性能，充分验证了文中设计方案的有效性。为提高所设计天线的工程应用价值，天线相位中心的稳定性和低剖面小型化等问题有待后续进一步研究，以适应卫星通信与导航地面终端系统的应用需求。