王 伊, 龚书喜, 杨 林, 刘 英

(西安电子科技大学 天线与微波重点实验室, 陕西 西安 710071)

一种小型化宽波束圆极化天线

王 伊, 龚书喜, 杨 林, 刘 英

(西安电子科技大学 天线与微波重点实验室, 陕西 西安 710071)

为了使特殊场合的圆极化天线增加宽波束特性，扩大信号覆盖范围,设计出一种基于多层微带结构的小型化宽波束圆极化天线。该天线由耦合贴片层、辐射贴片层、馈电网络层和反射地板层组成，其中馈电网络通过Wilkison功分器实现，两馈电点通过金属探针与辐射贴片相连。借助仿真数据分析并优化天线参数，当工作频率为11.90 ～ 13.02 GHz，结构尺寸为 25 mm×25 mm×4.5 mm时，天线实测增益为4.9 dBi。根据仿真数据加工天线实物，实测结果与仿真结果基本一致。

宽波束圆极化天线；Wilkison功分器；微带天线

在无线通信领域，特别是卫星通信、遥感遥测、电子对抗等方面，圆极化天线被大量应用[1-4]。圆极化天线的特点主要包括[5-8]：(1)极化损失小，对于工作姿态不稳定的通信设备来说，采用线极化可能导致收发天线的极化交叉，降低系统的通信效率，而圆极化天线除了对反旋向圆极化天线有极化隔离外，对于大多数任意极化天线则可以有效的降低极化损失；(2)可以有效消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响；(3)可以减少雨雾天气对通信系统的干扰。另外，在无线遥测的试验中，被测载体飞行状态多变、测试环境复杂，为了实时掌握载体在测试中的飞行姿态、系统数据等信息，一般都要求载体通信天线具有宽波束特性。为了适应被测载体有限的空间，天线还具有小型化的特点。

对于微带天线来说，实现圆极化的方式很多，其原理就是要形成幅度相同、相位相差90°的两极化分量。实现圆极化的常见方法有单馈点法、多馈点法和多元法。

单馈点法的核心就是通过微扰，改变微带辐射贴片的平衡来实现圆极化。这种方法主要基于空腔理论模型，利用简并模分离单元产生两个极化正交的简并模工作。其关键是适当的选择馈电点位置和几何微扰的方式。

多馈电法是通过馈电网络实现对辐射贴片幅度相等、相位差90°的正交馈电，通常采用T型功分器或3dB电桥作为馈电网络。这类馈电方式的重点在馈电网络的设计。相对于单馈点法，多馈法可以在多个馈点之间互相补偿不必要的电抗，减少贴片高次模对阻抗带宽和轴比的影响，因此基于多馈点法的圆极化天线拥有较宽的阻抗和轴比带宽。

多元法采用多个线极化贴片单元，在合理排布单元位置的基础上，使得输入相位相差90°而实现圆极化。这种方法具有多馈点法的优点，并且可以看做是天线阵，增益较高，但缺点是尺寸太大，不利于小型化。

本文拟设计一种基于多层微带结构的小型化宽波束圆极化天线。

1 天线结构设计

由于受工作带宽、宽波束以及对实际尺寸的限制，选择基于双馈点的多层微带结构来实现小型化宽波束圆极化天线。天线结构如图1所示。

图1 天线立体结构

天线整体尺寸为25 mm×25 mm，天线分为4层，由上到下分别是耦合贴片层、辐射贴片层、馈电网络层和反射地板层。4层微带介质板相对介电常数均为2.65，上3层介质板厚度均为1 mm，反射地板厚度1.5 mm。

馈电网络结构如图2所示。天线馈电网络采用Wilkinson功分器，两馈电枝节之间幅度相等，相位相差90°。由于采用多层微带结构，每层微带板紧密贴合，为了不影响功分器隔离电阻的摆放，故在反射地板层相应的位置预留小孔，其中Wf为馈线宽度。

图2 馈电网络结构

辐射贴片结构如图3所示，其主体是半径为R1的圆形贴片，两馈电点通过金属探针与馈电网络相连。为了调节天线的阻抗带宽和圆极化轴比特性，在圆形贴片周围添加了宽度分别为W1和W2，长度分别为L1和L2的矩形枝节。通过调整矩形枝节的结构尺寸来优化天线的圆极化特性。

图3 辐射贴片结构

耦合贴片结构如图4所示。为了展宽天线的工作带宽，在辐射贴片上添加耦合贴片。同时为了不影响圆极化特性，在耦合贴片上对称的开槽以实现微扰的作用，其中槽宽度为W3，长度为L3。

图4 耦合贴片结构

2 天线主要参数对性能的影响

借助仿真实验，分析天线结构中主要参数对天线性能，如天线轴比、工作带宽等的影响。

首先研究天线辐射贴片半径对轴比的影响。天线辐射贴片在R1取不同数值情况下的轴比变化规律如图5所示。

图5 轴比随天线辐射半径的变化规律

天线其他参数保持不变，辐射贴片的半径由2.6 mm变化到3.4 mm。从图5中可以看出，天线轴比在不同的半径下变化较大。当R1=2.6 mm时，天线天顶方向轴比最好，但是其宽角轴比特性较差，随着R1的增大，宽角轴比逐渐改善，在R1=3.0 mm时，宽角轴比性能达到最好，在±80°的波束范围内小于6 dB。

在辐射贴片上添加两个矩形枝节，其目的是对辐射贴片上的电流进行微扰，使其圆极化性能更好。矩形枝节的宽度分别为W1和W2，长度分别为L1和L2。首先研究参数L1的特性。在其他参数保持不变的情况下，间L1从0.4 mm变化到1.2 mm。辐射贴片矩形枝节长度L1对天线轴比的影响如图6所示。可见，当L1从0.4 mm逐渐增加的过程中，轴比逐渐变好。在L1=0.8 mm时，轴比性能达到最优，在±80°的波束范围内小于6 dB。而当L1长度继续增加时，轴比开始整体上升。当L1=1.2 mm时，轴比最低点已经达到10 dB左右。

图6 轴比随枝节长度的变化规律

另一个矩形枝节具有相同作用，只不过由于靠近馈电点，其宽度W2和长度L2有所不同。经过优化可得

W2=1.6 mm，L2=0.5 mm。

接下来讨论耦合贴片对天线性能的影响。在微带天线中，通常通过添加耦合贴片的方式展宽天线工作带宽，即通过在辐射贴片上添加耦合贴片展宽带宽。但是若仅仅添加耦合贴片会对天线轴比造成不利影响，故仍然利用微扰的方法，在耦合贴片上对称地开槽来调节轴比和带宽特性。轴比特性随耦合贴片开槽宽度W3的变化规律如图7所示。可见，在其他参数保持不变的情况下，W3从1.1 mm增大到1.9 mm，轴比逐渐有高到低变换，当W3=1.5 mm时，轴比性能达到最优，即在±80°的波束范围内小于6 dB，当W3继续增大时，轴比开始升高。

图7 轴比特性随耦合贴片开槽宽度的变化规律

耦合贴片影响天线性能的另一个重要参数就是贴片半径R2。当其他参数固定，半径R2为不同值时，对天线驻波影响如图8所示。可见，R2从2.6 mm一直变化到3.4 mm，当R2=3 mm时,回波损耗小于-10 dB的带宽达到最宽，即从11.8 GHz到13.1 GHz；当R2=3 mm时，中心频率点处的回波损耗大约在-45 dB。

图8 回波损耗随耦合贴片半径的变化规律

根据以上对天线重要参数的仿真分析，可以得出天线达到最优结果时的参数数值，如表1所示。

表1 天线各参数数值

3 天线实测结果分析

为了进行试验验证，根据仿真分析所得到的结构尺寸，加工天线样机，如图9所示。

(a) 天线正面

(b) 天线背面

在天线装配完毕后，利用矢量网络分析仪R&S-ZVB 20对天线的S参数进行测试，其中回波损耗测试结果如图10所示。可见，小于-10 dB的带宽为11.9 ～ 13.02 GHz，与仿真结果吻合较好，但是中心频率处的回波损耗仅为-23 dB，与仿真有所差别，这是由于在焊接天线接头或金属探针时引入的误差所致。

图10 回波损耗测试结果

天线方向图在Phi=0°和Phi=90°时的主极化与交叉极化实测结果如图11所示。

(a) Phi=0°

(b) Phi=90°

实测结果与仿真结果相比，交叉极化有所上升，但天线轴比总体上满足在±80°的波束范围内小于6 dB的要求，这主要是由于多层介质板在安装时没有严格对齐造成。在今后的设计过程中应考虑与多层介质板定位相关的结构，以提高天线安装精度。

天线增益通过比较法获得，中心频率实测增益为4.9 dBi，与仿真结果的5.5 dBi降低了0.6 dBi，这是加工误差及测试误差总体影响的结果。

4 结束语

设计了一款基于多层微带结构的小型化宽波束圆极化微带天线，通过对天线参数的分析与优化，实现了在±80°的波束范围内增益大于0 dBi，并且轴比小于6 dB。回波损耗在11.9～13.02 GHz范围内小于-10 dB。通过对天线实物测试表明，实测结果与仿真结果吻合较好，达到了预期要求。

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[责任编辑:瑞金]

Design of a compact wide beam circular polarized antenna

WANG Yi, YANG Lin, LIU Ying, GONG Shuxi

(Key Lab of Radar Signal Processing, Xidian University, Xi’an 710071, China)

A compact wide beam circular polarized antenna based on the multilayer microstrip structure is studied in this paper. The antenna includes the coupled patc, the radiation patch, feeding network and the reflecting layer. The feeding network is composed of the Wilkison power divider. The radiation patch is connected with the feeding points by two metal probes. The operating bands can be employed in 11.90 ～ 13.02 GHz. The dimensions of the proposed antenna are 25 mm×25 mm×4.5 mm. The measured gain of the proposed antenna is 4.9 dBi. Both experimental and simulated results have a good agreement.

wide beam circular polarized antenna， Wilkison power divider， microstrip antenna

2014-09-24

王伊(1984-),男,博士研究生,研究方向为通信天线及天线近场测量。E-mail:antenna_wy@163.com 龚书喜(1957-),男,教授,博士生导师,从事电磁理论和隐身技术研究。E-mial:shxgong@xidian.edu.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.017

TN911.23

A

2095-6533(2015)01-0084-05