(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

由于传统微带天线的带宽仅为5%左右，工作带宽较窄，频带不够宽。普通的微带天线功率容量低，覆盖区域不够广，无法多个系统共用一个天线。线极化微带天线在接收圆极化信号时，引起接收电平损失，如果嵌入平台内部，电性能指标将受周围金属腔的影响而恶化。国内在可嵌入式天线技术上刚刚起步，仅处于仿真研究阶段。目前，国内设计的圆极化天线虽然能够满足宽角覆盖的需求，但由于天线高度较高(工作频率的1/5波长)，围绕天线四周的金属腔体会使电性能指标恶化，电流过大时，局部易被击穿，且不能作为嵌入式天线使用。传统的十字阵振子天线尺寸较大(工作频率的1/2波长)，嵌入平台时需要较大空间，与未来电子设备小型化的趋势不相符[1]。

目前，既能满足宽角覆盖且电尺寸较小的天线国内尚无进展性研究，因此需要研究对载体气动性能影响较小(可嵌入式)且增益方向性图特性(宽角覆盖)满足系统链路电平需要的天线。

2 设计思想

在此选择圆极化微带贴片天线作为设计基础，通过引入高介电常数的印制板、空气介质层、频率选择表面(FSS)技术来实现小型化、宽频带、宽角覆盖的需求；引入平衡电流电缆来提高波束的对称性；将天线辐射面放置在整个天线的最上端来满足可嵌入式的需求。天线结构如图1所示。

图1 天线结构示意图

2.1 小型化、宽频带设计

(1)采用高介电常数的基片以减小天线尺寸

微带单元的长度L由下式确定：

(1)

式中，λ0为自由空间波长，εr为敷铜板基片的有效介电常数。可以看出当基片的εr升高时，单元的长度L会缩小，故在此使用εr>10的基片以缩小天线尺寸。

(2)在基片与地板之间引入空气层以展宽频带

微带天线中，对小于2的电压驻波比(VSWR)带宽，可以用下式近似表示：

(2)

式中，f为频率(GHz)；h为介质基片厚度(mm)；Bw为带宽(MHz)。根据上式，采用空气微带的方式，将印制板与上底板保持一定的空间距离，相当于增加了h，故可以展宽频带[2]。

(3)采用FSS结构以进一步缩小尺寸

频率选择表面(FSS)是一种反射和/或传输特性表现为频率的不同函数的表面。在金属表面引入缝隙(见图2)后，起到了频率选择的作用，电路模型等效为中心电抗加载(见图3)[3]，加载扮演着降低谐振频率fr、缩小单元物理尺寸的重要角色[4]。

图2 缝隙单元

图3 等效电路

缝隙也起到了带通滤波器的作用，其频率响应见图4[5]，可通行等于缝隙谐振频率的波，但拒绝较高和较低频率的波。要实现正交极化或圆极化的频率选择特性，可以在印制板表面的铜箔上开出交叉缝隙(见图5)[6]。

图4 频率响应

图5 交叉缝隙

2.2 宽角覆盖设计

(1)采用高介电常数和FSS技术减小天线尺寸后使天线具有宽波束特性

微带天线主瓣的半功率角宽度可近似由下式计算：

(3)

(2)采用平衡电流电缆使波束对称性更好的同时提高天线口径效率

引入平衡电流电缆后，印制板上的电流分布更均匀，即在物理口径边缘也能维持均匀场，从而保证天线在上半空间120°范围内波束对称。引入平衡电流电缆后，印制板上的电场分布更均匀，相当于增大了天线的有效口径Ae，从而提高了天线的口径效率εap，有更好的宽角覆盖效果。天线口径效率εap的定义由下式给出[8]：

(4)

式中，Ap为物理口径。

2.3 可嵌入式设计

将天线辐射面放置在整个天线的最上端，是为了满足可嵌入的使用需求。将作为天线辐射面的敷铜箔基片放置在整个天线的最上端，和周围的金属腔体一体化设计考虑，此时金属腔体位于天线辐射面的下方，故天线电性能不会受影响。

3 测试结果

在上述理论基础上，设计了一副工作可嵌入式安装在平台内的新型天线。

由测出的天线驻波曲线图可知，天线在14%的相对带宽内，VSWR≤1.5，其带宽优于传统的微带天线(3%)。图6～9给出了各类实测数据(F1～F4为频段内选取的4个频点)。

由图6可知，天线工作在F1频点时，圆极化增益在120°范围内大于-1 dB，且波束对称性良好。

图6 F1频点时天线俯仰面增益方向图

由图7可知，天线工作在F2频点时，圆极化增益在120°范围内大于-1 dB，且波束对称性良好。

图7 F2频点时天线俯仰面增益方向图

由图8可知，天线工作在F3频点时，圆极化增益在120°范围内大于-1 dB，且波束对称性良好。

图8 F3频点时天线俯仰面增益方向图

由图9可知，天线工作在F4频点时，圆极化增益在120°范围内大于-1 dB，且波束对称性良好。

图9 F4频点时天线俯仰面增益方向图

通过对以上实测结果的观察，发现该天线在整个频段(相对带宽14%)内，VSWR≤1.5，圆极化增益在120°范围内大于-1 dB，波束对称性良好。天线实物如图10所示。

图10 天线实物照片

4 结 论

本文设计的天线尺寸为0.38λ(长)×0.38λ(宽)×0.09λ(高)，圆极化增益在120°范围内大于-1 dB。下一步的工作是将该天线技术朝着进一步小型化的方向发展，同时拓宽宽角覆盖的效果，为未来小型化和移动载体天线设计提供技术基础。

参考文献：

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