尹继亮



Ku波段宽角扫描圆极化微带阵列天线设计

尹继亮

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610036）

提出了一种三馈电圆极化微带天线。天线馈电网络采用一分三功分馈电，实现微带贴片天线的圆极化辐射，增加方向图的旋转对称性。用该天线作为阵列单元，采用顺序旋转布阵技术组成一个3×4阵列，有效地改善了阵列天线的增益扫描特性。研究了该阵列天线波束扫描时的辐射特性和极化特性。仿真结果表明:阵列天线在中心工作频率处能实现俯仰60°的扫描，在扫描范围内增益大于11.9 dBi，轴比小于2 dB。

微带天线；圆极化；轴比；三馈电；宽角扫描；阵列天线

近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，要求实现小型化、低轮廓、低成本、宽频带等。圆极化天线能够接收任意线极化的电磁波，辐射的圆极化电磁波可以被任意线极化的天线接收，且圆极化天线可以有效减小多径反射的影响、抑制雨雾等气候引起的去极化效应、抗干扰强，得到了广泛的关注。微带贴片天线具有质量小、成本低、尺寸小、易于加工制造等特点，在相控阵天线系统中应用广泛[1-2]。

宽角扫描圆极化天线阵列的轴比由两个因素决定：一是阵列天线单元自身的轴比，二是阵列排布方式。

单个微带贴片天线的圆极化可以通过单点馈电或多点馈电实现[3]。单点馈电微带贴片天线结构简单，但其圆极化带宽较窄。多点馈电微带贴片天线圆极化带宽宽，但馈电网络设计复杂，对于应用于Ku及以上频段的天线设计起来更加困难，且馈电网络会引入额外的损耗。采用双馈或多馈来增大轴比带宽，一般馈点越多，轴比带宽越宽[4]，但这也使得馈电网络更为复杂。文献[5]提出了一种三馈电双层圆极化微带天线，其轴比带宽达到了47.88%。文献[6]提出了一种三馈电单层圆极化微带天线，其轴比带宽达到了12.2%。文献[5-6]中的天线使用的馈电网络采用微带Wilkinson功分器，不适合应用于相控阵天线系统天线阵元与收发组件的互联，尤其不适合应用于需要对天线单元进行旋转布阵的相控阵天线系统。文献[7]提出了一种中心馈电的四馈电圆极化微带天线，天线采用一个一分四的馈电网络，工作于L波段，其轴比带宽达到了6.8%，但该天线在Ku及以上波段较难实现。

对于阵列排布方式对轴比影响的研究, 文献[8] 提出了一种顺序旋转馈电的方式，这种方式后来被广泛地应用，用于改善圆极化微带阵列天线的轴比带宽及大角度扫描时的圆极化增益等。文献[9]研究了采用不同的顺序旋转方式组阵，但仅限于研究如何降低天线阵列的反旋分量。

为便于与收发组件进行射频互联，消除阵元按馈电点旋转后微带贴片之间的干涉，馈电点应尽可能靠近贴片天线的中心。

本文在综合考虑工艺复杂性和天线阵列性能的基础上，首次提出了一种中心馈电的三馈电圆极化微带天线。然后以该天线单元为基础，采用双重顺序旋转馈电技术，设计了一个3×4宽角扫描圆极化微带天线阵列。设计的天线阵列具有良好的宽角扫描特性，当工作于中心频率时，阵列天线增益在±60º扫描范围内下降小于2.8 dB，同时轴比小于2 dB。

1 天线单元设计

1.1 天线单元结构

天线单元结构如图1所示，采用四层芯板层叠结构，从上到下分别是覆盖层、贴片层、地板层、馈电网络层。多层结构的设计使天线单元的馈电网络层和辐射贴片被中间的接地板隔开，减小馈电网络对天线造成的影响。另外，馈电网络采用带状线的形式。介质基板均选用Taconic 介质材料，覆盖层和贴片层选用TLY-5介质材料，相对介电常数2.2。为了满足天线的带宽要求，选用常用介质厚度1=0.254 mm和2=1.016 mm。为了能在有限的空间内排布馈电网络，考虑印制板加工工艺的成熟性及低剖面要求，地板层和馈电网络层选用RF-35介质材料，相对介电常数3.5，厚度为3=4=0.254 mm，不同介质基板之间采用半固化片（pp）进行粘接。为了满足该天线单元在实际工程中的应用，馈电结构采用带状线转同轴线的背馈方式。

对圆形微带贴片中心进行开槽处理以提高端口间的隔离度，其结构如图1所示。圆形贴片的半径为P，采用同轴探针进行馈电。Y型槽的三条臂长宽一样，Y型槽的宽度为S，Y型槽长度为S，槽与槽之间的夹角为120°。馈电点距离贴片中心的距离为F。圆形金属地板与圆形介质基板的半径为G。

（a）天线单元俯视图

（b）天线单元侧视图

（c）贴片

（d）馈电网络

图1 天线单元结构模型

Fig.1 Geometry of the proposed antenna element

1.2 天线单元设计及仿真结果

为了实现圆极化，馈点位置呈等边三角形，功分器的3路输出要求等幅且相位依次相差120°[5]。常用的一分三功分器有Wilkinson功分器和T形结功分器，Wilkinson功分器需要在各支路间加隔离电阻且占用体积较大。为缩小尺寸，降低工艺复杂度，便于与收发组件互联，本文采用带状线T形结功分器，功分器各端口间相位差通过带状线长短实现，结构如图1所示。各输出端口幅度及相位差的仿真结果如图2所示。可以看出，功分器在4%的频带内，3个端口间输出幅度差均在0.4 dB内，由于带状线固有的色散特性，相位随频率呈线性变化，造成各端口相位差在偏离中心频点处120°。

图2 带状线馈电网络各端口传输损耗及相位差曲线

采用三维仿真软件ANSYS HFSS 15.0对微带贴片天线单元进行全波仿真分析。图3为微带贴片天线单元的电压驻波比随归一化频率的变化曲线。由图可见，天线单元在4%的频率范围内电压驻波比VSWR≤1.2。图4为微带贴片天线单元的增益和轴比随归一化频率的变化曲线。由图可见，天线单元在4%的频率范围内轴比AR≤4.5，天线单元的最大增益为7.01 dBi。图5为微带贴片天线单元中心频率的增益方向图。从图中可以看出，该单元在大角度区域（60°），方向图各剖面的电平差距较小，方向图基本旋转对称。微带贴片天线单元的其他尺寸参数如表1所示，0为中心工作波长。

图3 天线单元驻波比曲线

图4 天线单元增益和轴比曲线

图5 天线单元增益方向图

表1 天线单元各尺寸参数

Tab.1 Parameters of the antenna element

2 天线阵列设计与仿真分析

本设计中，12元阵按3×4三角形阵列排布（如图6所示），为保证在±60º扫描范围内不出现栅瓣，阵列单元间距按0.460排列。天线阵列设计采用双重顺序旋转布阵技术，有效改善了天线阵列的宽角圆极化增益及轴比特性。同时，天线阵列结构采用多层PCB作为基板，并通过带状线转射频同轴连接器，完成天线阵面与收发组件的垂直互联设计。采用三维仿真软件ANSYS HFSS 15.0对阵列天线进行全波仿真分析。

图6 3×4天线阵列结构

图7为天线阵列在o平面的扫描特性曲线。图8为天线阵列在o平面的扫描特性曲线。由图7和图8可见，天线工作在中心工作频率，波束能够扫描到±60°，在±60º扫描范围内，天线阵列具有良好的副瓣特性。从仿真结果可以看出，在o面，波束扫描到±60°时，增益下降小于2.8 dB；在o面，波束扫描到±60°时，增益下降小于2.5 dB。

图7 xoz面扫描方向图

图8 yoz面扫描方向图

相对于传统相控阵天线（以12元相控阵天线为例），本阵列天线具有更好的增益扫描下降特性，表2给出了本阵列天线扫描增益下降特性与文献[10]中阵列天线的对比。

表2 本天线阵列与文献[10]天线阵列的增益扫描特性对比

Tab.2 The gain scan loss performance of the proposed antenna array compared with the antenna array in reference [10]

图9为天线阵列轴比随扫描角的变化关系曲线。从图中可以看出，当天线阵列工作在中心频率时，在整个扫描范围内，天线阵列半功率波束内的轴比小于2 dB。

图9 天线阵列轴比随扫描角的变化关系

3 结论

设计出了一种三馈电圆极化微带贴片天线单元，该天线单元馈电点出口位于天线单元中心，通过ANSYS HFSS软件仿真优化出天线单元的几何结构参数。仿真结果表明，天线单元方向图基本上旋转对称，适合用于顺序旋转布阵。采用该微带贴片天线作为天线单元，组成一个3×4阵列，进行了天线阵列的仿真。仿真结果说明该阵列天线具有良好的宽角扫描特性，当工作于中心频率时，阵列天线增益在±60º扫描范围内下降小于2.8 dB，同时轴比小于2 dB。设计的阵列天线对于研究宽角扫描圆极化阵列天线具有一定的指导意义。

[1] BALANIS C A. Antenna theory-analysis and design [M]. Hoboken, USA: John Wiley&Sons, Inc, 2005: 70-80.

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[3] 薛睿峰, 钟顺时. 微带天线圆极化技术概述与进展 [J]. 电波科学学报, 2002, 17(2): 331-336.

[4] 孙莉, 周力. 小型多馈源宽频微带天线分析与设计 [J]. 微波学报, 2007, 23(6): 44-47.

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[8] JOHN H. Technique for an array to generate circular polarization with linearly polarized elements [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 1986, 34(9): 1113-1124.

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[10] 鲁加国, 曹军. 一种适用于卫星通信系统的圆极化相控阵天线 [J]. 雷达科学与技术, 2003, 1(1): 54-59.

（编辑：陈渝生）

Design of Ku-band wide-angle scanning circularly polarized microstrip array antenna

YIN Jiliang

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A novel three feeds circularly polarized microstrip antenna was proposed in this paper. The antenna feeding network was realized using a one-three power divider to enhance the rotational symmetry of circularly polarized radiation of the microstrip patch antenna. The proposed antenna element was arranged into a 3×4 array using sequentially rotated technique to effectively improve the array gain scanning performance. The array radiation and polarization performance during beam scanning was investigated as well. The simulation results indicate that the array beam can be steered in the elevation up to 60° at the center of the operating frequency. The gain of no less than 11.9 dBi and the axis ratio (AR) of no more than 2 dB are obtained within the scanning angles.

microstrip antenna; circular polarization; axial ratio; three-fed; wide-angle scanning; array antenna

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.017

TN82

A

1001-2028（2017）05-0081-04

2017-02-11

尹继亮

尹继亮（1984－），男，江西永新人,工程师，硕士，从事相控阵天线技术研究，E-mail: jiliang_yin@163.com 。

网络出版时间：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.017.html