一种双圆极化微带天线阵列的设计

赵东贺，吴 旭，韩国栋

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着通信技术的高速发展，圆极化天线在越来越多的领域中应用。与线极化天线相比,圆极化天线在一定损失的前提下,可以接收任意线极化信号,圆极化信号也可由任意线极化天线接收。圆极化天线具有接收稳定，可以抵消电离层极化旋转效应、抗云、雨衰落强、以及抗多径干扰能力强等优点，在工程技术上有广阔的应用前景[1-3]。频谱资源争夺日益激烈，基于频率复用技术和极化分集技术的双圆极化天线通信系统应运而生。通过使用双圆极化天线系统，提升了通信系统的通信容量，提高了频谱使用效率，在卫星导航通信、高通量数据传输、军事通信等领域得到了大规模使用。圆极化微带天线的实现方式通常包括[4]：基于微扰元实现正交极化简并模分离的单馈点圆极化微带天线、多点正交馈电结合圆极化馈电网络的多馈点圆极化微带天线，以及圆极化馈电网络和多线极化微带天线的多元法等。现阶段双圆极化微带天线多采用多馈点的天线形式，通过多馈电实现双线极化，使用圆极化网络改变不同馈点的输入相位，使双线极化天线辐射圆极化波[5-6]。

本文研究并设计了一种双圆极化微带天线阵列。天线单元为正方形辐射贴片，通过切角微扰元法来实现天线单元的圆极化辐射，天线采用微带线共面侧馈的馈电方式，两条正交的微带馈线对应天线单元不同的圆极化方式，天线阵列采用串-并联混合的合成网络网络方式，实现天线的集成化、小型化设计。通过仿真软件对天线结构优化设计，加工天线实物样机，测试结果表明此天线工作带宽>10%、轴比带宽>3%，具有双圆极化特性。

1 天线单元的设计

双圆极化微带阵列天线单元采用微扰元法圆极化贴片形式，通过在一定形状的微带贴片上增加微扰元，使辐射的正交极化的简并模谐振频率产生分离,天线的工作频率与简并模谐振频率匹配，当微扰元的面积合适时,对工作频率而言,一个模式的相位超前45°,另一个模式的相位滞后45°,两个模式的幅度分量相当，这样天线就形成了圆极化辐射。

本天线单元采用正方形辐射贴片，在贴片的对角切去部分作为简并模分离微扰元，根据公式(1)初步确定矩形微带贴片的长和宽。

(1)

式中f0为微带天线的中心频率；εr为印制板等效介电常数。

为实现天线的双圆极化辐射，天线单元采用正交的两条微带线进行馈电，微带线与天线贴片为共面结构，通过调整馈电线尺寸使天线单元获得良好的阻抗匹配特性。天线结构为单层印制板结构，根据理论分析确定了天线单元的基本尺寸，在Ansoft HFSS建立仿真模型，进行优化设计，微带天线介质板基材为Taconic RF-35板材，介电常数3.5，介质板厚度1mm,损耗角正切0.0018,天线的仿真模型如图1所示。通过优化设计后，天线贴片宽度w=27mm、切角宽度s=4mm。天线单元仿真结果如图2-图4所示,由图2可以看出天线单元在2.9GHz-3.1GHz频带内VSWR<2.0，天线单元在2.955GHz-3.01GHz频带内AR<3dB,天线最大增益约为6dB。

图1 天线单元示意图 图2 天线单元电压驻波比仿真结果

图3 天线单元方向图仿真结果 图4 天线单元方向图仿真结果

2 天线阵列设计

为了获得更高的天线增益，采用6单元的拼阵的天线阵列实现天线的高增益，考虑天线的小型化要求，阵列天线的馈电网络采用串-并馈混合馈电网络，根据多级阻抗匹配原理，馈电网络由若干1/4波长阻抗变换段和不同长度的传输线组成。在阵列天线网络布局时，将天线单元旋转90°，同时改变天线的馈电线与微带贴片的夹角，利于阵列合成网络布线，阵列天线整体为轴对称结构，天线阵列模型示意图如图5所示。建立阵列天线模型，对阵列天线参数进行优化。

阵列天线最终仿真结果如图6-图10所示，由仿真结果可知阵列天线阻抗带宽在2.9GHz-3.1GHz频带内VSWR<2.0，天线串-并馈馈电网络后，阻抗带宽得到了展宽；阵列天线在2.957GHz-3.027GHz频带内AR<3dB,与单元天线相比，轴比带宽稍有增加，天线最大增益约为12.5dB。

图5 天线阵列模型示意图 图6 天线阵列电压驻波比仿真结果

图7 天线左旋极化方向图仿真结果 图8 天线右旋圆极化方向图仿真结果

图9 天线轴比仿真结果 图10 天线增益仿真结果

3 实物与测试

根据天线的仿真模型，加工了天线原理样机。在微波暗室里对天线样机进行了测试，测试结果如图11-图15所示，由天线样机测试结果可知天线电压驻波比在2.93GHz-3.1GHz频带内小于2，阵列天线的轴比在2.95GHz-3.02GHz频带内小于3dB,天线增益大于12dB,与仿真结果基本吻合，但天线电压驻波比和轴比频率发生微小偏移，这是由于天线的实际介电常数与标称介电常数的差异以及印制板加工误差造成的。

图11 天线样机驻波比测试结果

图12 天线左旋圆极化方向图测试结果 图13 天线右旋圆线极化方向图测试结果

图14 天线样机轴比测试结果 图15 天线样机增益测试结果

4 结论

提出了一种双圆极化微带阵列天线的设计方法，阵列单元为6个采用切角微扰元法的双圆极化天线单元，阵列合成馈电网络采用串-并联混合馈电的方式，通过阵列天线布局，使阵列天线布局简洁、美观，实现天线阵列小型化，满足天线工作要求。通过理论分析确定基本参数，通过仿真软件进行优化分析，根据设计结果加工了天线样机，测试结果表明此天线工作带宽>10%、轴比带宽>3%的，具有良好双圆极化特性。