一种新型的宽波束圆极化微带天线*

赵红梅，牛艳娟，王云飞

（1.郑州轻工业学院 郑州450002；2.联通系统集成有限公司河南分公司 郑州450002）

1 引言

随着卫星导航、定位及通信系统的发展，对天线的覆盖范围提出了越来越高的要求，为了快速捕捉到微弱的卫星信号，一般要求天线具有很宽的波瓣宽度并能保持一定的低仰角增益。对于星载天线，在某些应用中要求天线单元的波束覆盖达到120°，甚至更高，特别是我国的卫星导航系统，由于卫星较少，这个特性就显得尤为重要。

微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、便于获得圆极化且易制成与卫星等载体表面相共形的结构等优点，在许多实际应用中经常被采用。因此，开展宽波束圆极化微带天线的研究具有较大的理论和应用价值。

许多文献记载过多种展宽微带天线波束的方法，如采用高介电常数介质、调整接地板尺寸大小、微带高次模天线[1]、微带介质天线[2]、采用好的天线形式、三维接地结构[3，4]等。其中，对三维接地板结构展宽波束的方法研究较少，这种方法是将常规的微带天线放置在三维接地板结构上，可以通过接地板的反射作用，在减小天线前后比的同时，很好地展宽波束。如参考文献[3]，将普通的圆极化正方形切角微带天线安装在角锥喇叭结构上，同时微带天线上方四周的一部分被折叠的反射板围住，虽然波束可达到约 130°，但是它的结构复杂、增益较低，这时的增益只有－0.6 dB。在参考文献[4]中，将常规的圆极化微带天线放置在三维接地板结构上，它的波束宽度可达到113°左右，但该天线高度大于0.45 λ，并且由于接地板结构很复杂，不易实现。在此，本文提出了一种应用三维接地板展宽波束的圆极化微带天线，它结构简单，波束宽度可达到120°以上，而且在波束范围内具有很好的圆极化特性。

2 天线结构特性分析

天线结构如图1所示，该设计采用接地板开槽的微带天线（如图 1（a）所示），安置于角锥喇叭结构上（如图 1（b）所示），同时，采用50 Ω同轴馈电。

如图1（a）所示，上方为接地板开槽的微带天线[5]。正方形贴片置于厚度为1.6 mm、介电常数为4.4的FR4介质基片上，介质基片大小为75 mm×75 mm，接地板大小为60 mm×60 mm。天线贴片的初始尺寸可利用腔模理论[6，7]的经验公式来初步确定，如下：

其中，c为光速，即 3×108m/s，f0为谐振频率，εe为介质基片等效介电常数，Δl为边缘效应引起的延伸长度。

根据上述公式，由选定的谐振频率、介质基片的厚度和介电常数，可以得到贴片的初始尺寸，然后可由三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行参数扫描、优化对天线尺寸进一步调整，以得到准确的结果。

2.1 圆极化特性

实现微带天线的圆极化主要有单点馈电和多点馈电两种方式。相比多点馈电方式，单馈点圆极化微带天线由于其无需外加相移网络和功率分配器、结构紧凑、适合小型化，因此得到了广泛关注。

该天线采用单馈法和几何扰动来实现圆极化，即在接地板上引入微扰Δs来实现圆极化辐射所需要的条件，即：

其中，Δs也被称为简并模分离元，其影响可以用变分法来分析。该天线在接地板上沿x轴、y轴正交方向分别开出不等长的两对矩形槽，并沿贴片对角线馈电，即在贴片下的空腔区域形成一对辐射正交的模，当两者辐射长之比为±j时，满足圆极化工作条件，形成圆极化辐射[8]；同时，调整馈电点的位置以满足右旋圆极化要求，通过计算机和软件优化，可以在微带贴片对角线上找到合适的馈电点（－9，9），可以很方便地调整天线的输入阻抗，使之与 50 Ω同轴线实现阻抗匹配，进而获得右旋圆极化。

同时，接地板上开槽可以引导贴片中的电流发生弯曲，从而增大电流路径的有效长度，降低天线的谐振频率，进而达到小型化的目的[9]。随着开槽长度的增加，天线的谐振频率减低，天线尺寸减小，但是，天线尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，因此开槽的长度需要在小型化与性能之间折衷考虑。

2.2 方向图特性

角锥喇叭结构上下口径均为正方形，下口径边长为150 mm，上口径边长为 70 mm，高为 35 mm（约 0.18 λ），角锥喇叭的厚度为0.1 mm。由于角锥喇叭结构的反射作用，可以减小微带天线的前后比，展宽天线波束宽度。角锥喇叭的高度对天线的方向图有较大的影响，角锥喇叭高度为5、15、25、35 mm时反射系数、波束宽度及增益的变化情况见表1、图2。可以看到，随着高度的增大，反射系数逐渐减小，波束宽度明显展宽，这对接收低仰角卫星信号等应用很有意义；同时，由于波束的展宽，增益随高度增加而减小。由此可见，天线要形成宽波束，角锥喇叭高度取值也要在宽波束与天线性能之间折衷考虑。同样，角锥喇叭下口径大小（即喇叭口张角）也影响到天线波束宽度的大小，随张角增大，波束宽度也有一定的展宽。

表1 角锥喇叭的高度对天线参数的影响

此外，为了便于天线整体的拼装，适当地调整了介质基片的大小，从70 mm调整为75 mm，这样可以更好地用胶枪在外侧交接处对天线的上下部分进行粘接，使整体更稳定。此时，由于介质基片的展宽，增益下降了0.2 dB，波束宽度展宽了2°，其他指标均无明显变化。

3 仿真及测试结果数值分析

3.1 仿真结果数值分析

该天线使用以有限元法为基础的三维电磁仿真软件ansoft HFSS进行仿真，通过仿真分析及优化，设计了工作于1.575 GHz的右旋圆极化宽波束微带天线。

天线在要求频率处的驻波比VSWR≤1.10（即S11＜－26 dB），如图3所示。在主辐射方向上，天线轴比为0.43 dB（小于 3 dB），覆盖空域达 140°，如图 4（a）所示；同时，天线的轴比带宽如图4（b）所示，且轴比小于等于3 dB的圆极化带宽达17 MHz。天线E面、H面的方向图如图5所示，该天线增益可达0.43 dB，E面和H面的3 dB波束宽度分别为 123°（－63°～60°）和 136°（－70°～66°），在整个波瓣范围内，增益变化不大，而且在波束范围内都有很好的圆极化特性（轴比小于3 dB）。该天线E面和H面波束宽度比接地板开槽的微带天线（无角锥喇叭结构）分别展宽28°（29.5%）和 41°（43.2%），天线的前后比变得很小，轴比带宽宽出3 dB，但是由于波束宽度的展宽，使得增益有所下降，见表2。

3.2 测试结果

使用德国RS矢量网络分析仪对该天线的驻波比、回波损耗及阻抗进行测试。驻波比实测结果和仿真结果对比如图6所示，实测结果基本满足性能指标要求，也验证了该天线的可行性。实测VSWR整体比仿真结果高0.18～0.3，主要受由 SMA接头引起的插入损耗及角锥喇叭的加工精度影响。该天线实物如图7所示。

表2 波束展宽前后天线参数性能比较

4 结束语

本文提出了一种以简单方式展宽微带天线波束的新方法，仿真和测试结果表明，该天线的波束宽度、轴比带宽都能满足宽波束圆极化GPS天线的性能要求，该天线具有合理性和可行性。此外，与其他三维接地板结构天线相比，该天线还具有结构简单、易于加工等优点。文中所提出的展宽波束的方法还可推广应用于其他频段天线的宽波束设计中。

1 Wuang T K，Huang J.Low-cost antennas for direct broadcast satellite radio.Microwave and OpticalTechnology Letters，1994，7（10）

2 何海丹.新型宽波束圆极化天线——微带介质天线.电讯技术，2003，（1）：48～51

3 Su C W，Huang S K，Lee C H.CP microstrip antenna with wide beam width for GPS band application.Electronics Letters，2007，43（20）

4 Tang C L，Chiou J Y，Wong K L.Beam width enhancement of circularly polarized microstrip antenna mounted on a threedimensional ground structure. Microwave and Optical Technology Letters，2002，32（1）：149～153

5 Chow Yen Desmond Sim，Tuan Yung Han.GPS antenna with slotted ground plane.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（3）

6 郭永新，方大纲，是湘全.一种用于电子战诱饵的宽带宽角迭层微带天线.南京理工大学学报，1998，22（1）：39～42

7 Jun Ouyang，Feng Yang，Shiwen Yang，et al.A novel e-shape radiation pattern reconfigurable microstrip antenna for broadband，wide-beam，high-gain applications.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（8）

8 Chiou T W，Wong K L.Designs ofcompactmicrostrip antennas with a slotted gound plane. In:Antennas and Propagation Society International Symposium，2001

9 Huang J.The finite ground plane effect on the microstrip antenna radiation patterns.Antenna Propagat，1983，31（7）：649～653

10 钟顺时.微带天线理论与应用.西安：西安电子科技大学出版社，1991