禹化龙，杨志刚，陈 光

(中国电子科技集团公司第27研究所，郑州 450047)

0 引言

微带天线以其低轮廓、可共形、易集成、造价低等优点近年来得到广泛应用。随着卫星通信技术的快速发展，对天线也提出了更高的要求。在卫星接收机设计中小型化宽波束圆极化天线是对天线设计的基本要求。对于特殊场合的应用，由于安装位置的限制，还要求用单馈电点小型化实现圆极化工作。如果用单馈电点实现双频圆极化，常见的实现方法有两种:一种使用单块贴片，其两圆极化工作频率比大约是 1.5 倍或更大一些[1，2];另一种使用双层贴片，两圆极化频率比小于1.5倍。文献[1～3]报道的双层贴片天线都加工在同一介电常数的两块基片上，基片中间引入空气层(采用泡沫材料来支撑上层)，这样既增大了尺寸，又不便于加工。

介绍一种小型化宽波束双层圆极化微带天线的新设计，选取低介电常数的介质基片，在双层圆形贴片上分别刻四个槽减小天线的尺寸，中心开十字缝增加天线的阻抗带宽，在贴片边切角和贴片的对角线上选择合适的馈电位置实现圆极化，与采用同样介质的普通微带贴片天线相比工作在同频率时的天线约有37%的尺寸减少，两频段中心频比为1.05，天线方向图对称性很好，同时天线的3 dB波束宽度达80°以上，增益也达到5.3 dB以上，适合于卫星接收机中使用。

1 天线设计原理

双层微带天线下层导体贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，合理选择天线参数，可形成两个谐振电路，具有两个谐振频率。如果天线参数配置得当，两个谐振频率适当接近，结果形成频带大大展宽的双峰谐振电路[4]。在天线的上、下层导体贴片上分别切角，刻等长的十字缝隙，馈电点位置选在十字缝隙的角平分线上。由于上、下层导体贴片的几何开关关于馈电点对称性，故可同时激励等幅同相极化正交的简并模，从而实现天线的圆极化设计。边上刻的四个槽[5，6]和十字缝隙[7]，延长了上、下层导体贴片表面的电流路径，降低了天线的谐振频率，可以实现天线的小型化设计。

2 天线结构

双层微带天线的结构示意图如图1所示。该天线由工作在两个频段同旋向的圆极化微带天线层叠，形成双频圆极化天线。相同形状的顶层贴片和底层贴片同心放置于介质基板之上，高频段天线贴片放在上层，低频段天线贴片放在下层。采用双层贴片，下层贴片加工在厚度为h2，、介电常数为εr2的材料上，上层贴片加工在厚度为h1、介电常数为εr1的材料上。设计中，上下层选用相同介电常数的微波介质基片，相对介电常数为 εr1=εr2，基片厚度为h1=h2，探针通过下层介质的钻孔连接到下层贴片上，上层贴片是下层贴片的寄生单元，通过下层贴片电磁耦合进行馈电。由上下层贴片半径尺寸和贴片边上四个槽的尺寸控制谐振频率，选择圆形切角大小和切角处的槽的尺寸来实现圆极化辐射，中心的十字缝用以增加天线的阻抗带宽。

双层微带天线的结构复杂，要得到精确的分析结果，必须用严格的全波分析方法进行分析。为了简化设计，天线的初始尺寸利用腔模理论[3]的计算公式推出，最终的尺寸利用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS软件进行仿真计算，优化仿真得到。HFSS软件通过合适的网格划分可以得到准确的仿真结果。

天线的设计参数为:上、下层贴片天线半径分别为R1和R2，切边宽度分别为d1和d2，边沿四个缝长分别为R1－L1和R2－L2，缝宽分别为W1和 W2，十字缝隙的长和宽分别 sw1、sw2、sL1、sL2，探针馈电点距下层贴片中心的距离为d。天线设计参数略。

图1 天线的几何结构图

通过优化参数，使天线的驻波、轴比、增益等指标满足设计的要求。

3 天线仿真结果

由三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真计算，仿真结果如图2～8所示。由图2的天线的输入端口电压驻波比曲线可以看出，在1.17～1.29 GHz频带范围内，输入端口电压驻波比小于2，在1.19 GHz和1.28 GHz两个频点发生谐振。根据图3可知，天线的3 dB轴比带宽范围为1.196 ～1.281 GHz。图4 为天线在1.27 GHz，φ=0°和φ=90°时θ方向的轴比变化曲线。由图4可知天线的3 dB轴比对应的俯仰角大于135°，天线有较宽的角度范围内具有良好的圆极化性能。图5为天线在1.27 GHz时RHCP及交叉极化的XZ、YZ面增益方向图，天线增益方向图具有很好的对称性，交叉极化电平值在－20 dB以下，具有较低的交叉极化电平。图6为天线的法线方向在1.16～1.3 GHz频带内RHCP增益及交叉极化曲线。在整个频带内天线增益大于5.3 dB，而交叉极化电平值在－10 dB以下。

4 实验结果

根据前面仿真结果加工了一副单馈电点双层微带天线，并进行了测试。图7和图8分别为实测的天线输入端口驻波和轴比曲线图，与仿真结果比较吻合。天线在不同频点的非归一化方向图如图9所示。由图9可知，天线具有较宽的波束宽度，3 dB波束宽度大于80°。

利用比较法，测得天线在不同频点的增益。测试结果见表1。

表1 天线在不同频点的增益

5 结语

本文对双层微带天线的宽频带圆极化原理进行了定性分析，通过Ansoft HFSS软件仿真优化出天线的几何结构参数，并加工出一副天线进行部分指标测试，测试结果与仿真结果比较吻合。与采用同样介质的普通微带贴片天线[4]相比工作在同频率时的天线约有37%的尺寸减少;两谐振频点频比为1.05，实现两频点频比通常大于1.2的突破;天线方向图对称性很好，天线的3 dB波束宽度达80°以上，增益达到5.3 dB以上。适用于在卫星接收机中使用。

[1]BOCCIA L，AMENDOLA G.A High-Performance Dual Frequency Microstrip Antenna for Global Positional System[C]//IEEE AP-S Int Symp，Boston，MA，2001:66-69.

[2]SU C M，WONG K L.A Dual-band GPS Microstrip Anten-na[J].Microwave Opt Tech Lett，2002，33(4):238-240.

[3]JAN J Y，WONG K L.A Dual-band Circularly Polarized Stacked Elliptic Microstrip Antenna [J].Microwave Opt Tech Lett，2000，24(5):354-357.

[4]RAMESH GARG，PRAKASH BHARTIA，Microstrip Antenna Design Handbook[M].Landon:Artech House，2001.

[5]BIN G，CHEN M H，WONG K L.Single Feed Dual-Band Circularly Polarized Microstrip Antenna[J].Electron Letter，1998，34(12):117-119.

[6]WEN-SHYANG CHEN，CHUN-KUN WU，KIN-LU WONG.Novel Compact Circularly Polarized Square Microstrip Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49(3):340-342.

[7]WEN-SHYANG CHEN，CHUN-KUN WU，KIN-LU WONG.Compact Circularly Polarised Circular Microstrip Antenna with Cross-slot and Peripheral Cuts[J].Electronics Letters，1998，34(12):1040-1041.