一种宽角扫描圆极化微带阵列天线的设计

禹化龙，裴华伟

(中国电子科技集团公司第27研究所，郑州 450047)

0 引言

天线作为无线通信系统的一个重要组成部分，其特性的好坏直接影响着整个无线通信系统的工作性能。无论是在军事国防还是民用通信领域，对天线单元或阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更高的要求。在某些具体的应用中，要求天线具有低剖面、重量轻、高增益、低旁瓣和波束扫描空域大等特点。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。采用微带阵列天线则较容易满足这些应用需求。

下面介绍一种宽角扫描圆极化微带阵列天线的设计。天线单元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以减小天线的尺寸，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，使用16个该天线单元组成一副4×4正方形微带阵列天线，并对该阵列天线的一些特性进行了研究。

1 宽波束圆极化微带天线的设计

1.1 天线单元的工作原理

宽波束圆极化微带天线单元是实现圆极化微带天线阵宽角扫描的基础，考虑天线的工作带宽等技术要求，因此，天线单元采用双层微带天线，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，能够有效展宽天线的阻抗带宽。天线参数配置得当时，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［1］。使用探针馈电的两层贴片天线，其阻抗带宽主要由低层贴片上的电流分布所决定，当寄生贴片是松耦合时，可获得最宽的阻抗带宽［2］。

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的对称性，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［3，4］和十字缝隙［5］，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。

1.2 天线单元的结构设计

天线单元的结构如图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，为了简化设计和加工，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。

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。

R1和R2两个参数依下述公式［5］进行设计。

图1 天线单元的几何结构图

式中，fi为谐振电路的谐振频率;Ri和Rei分别为贴片的实际半径和有效半径;hei为介质板的有效厚度;εi为介质板的有效介电常数(i=1，2);c为自由空间中的光速。其中

根据上述公式，选择基片的介电常数、厚度，可以得到贴片的大小。

十字缝隙的长和宽两个参数的确定可参考文献［7，8］。利用微扰技术原理可以确定圆形切角的尺寸［9］。

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上述计算公式得出，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。

通过优化参数，使天线的驻波、轴比和增益等指标满足设计的要求。

1.3 天线单元的仿真及测试

由三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真计算，仿真结果如图2和图3所示。由图2的天线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。

根据仿真的天线结构参数，加工了一副天线并进行测试，测试结果如图4和图5(虚线)所示，与仿真结果一致性较好。

2 阵列天线的设计

2.1 组阵原理

前面已经得到天线单元的特性，采用16个单元天线组成阵列天线，充分考虑天线单元组阵在扫描时出现的各种问题，以最简单的正方形阵列为例进行设计。

对于正方形阵列，最大单元间距［10］

θm为圆锥形扫描空域的半锥角，根据扫描空域的要求θm≥φ，为了确保在f1～f2(f1≤f2)频带内，两维扫描±φ，不出现栅瓣，不出现盲区效应，在设计中，应用式(1)时，应留有一定的余量。对于λ的取值，以最高频率f2的对应波长设计。

2.2 互耦效应的影响

在天线阵中，一个阵元要受到其他阵元的作用，阵元上的电流分布要受到周围其他阵元的影响而有所改变，这种现象称为互耦。由于互耦作用的存在，使得每一个天线的辐射阻抗由自阻抗和互阻抗两部分组成，即有以下方程

因此，在进行阵列天线设计时，需要考虑阵元之间的间距问题。天线存在工作于高频端和低频端两种极端情况。针对高频端将间距选择为半波长，此时天线间距是互耦最严重的情况，通过设计，只要在高频端得到较理想互耦参数，同样可以在低频端获得较好的效果。据此，天线单元之间的间距以最高频率f2的对应半波长选取。

3 阵列天线的仿真及测试

采用该天线单元组成一个4×4阵列，并在HFSS中建模，如图6所示，对该阵列天线的电特性进行仿真分析。

阵列天线第二行第二列天线单元与第二行第三列天线单元输入端口耦合系数曲线如图7所示。试验阵列中对应的相邻两天线单元输入端口实测耦合曲线如图8所示。从仿真结果和实测结果可以看出，相邻两天线单元间互耦较弱。

阵列天线中阵中天线单元在不同频率下的XOZ面测试方向图如图9所示。由阵中天线单元的方向图测试结果可以看出，天线单元在阵中方向图基本上无畸变。

天线阵不做扫描情况下在f1频点的YOZ面和3D仿真方向图分别如图10，图11所示。由图9可知，在法线方向阵列天线增益为16.5 dBi，主副比大于12.3 dB。

天线阵由Z轴向XOY面扫描45°时的方向图如图12所示。由图12可知，天线阵在扫描45°后主瓣电平为13.8 dBi，扫描损失约小于3 dB。由此可知，天线的扫描空域大于45°×45°。

阵列天线由Z轴向X轴扫描45°时阵中第二行第二列天线单元的驻波测试曲线如图13所示。由图13可知，阵列天线在扫描时，阵中天线单元的驻波虽有所变化，但仍可满足工作频带内对驻波的要求。

利用比较法，测得阵列天线在不同频点的法线方向增益。测试结果见表1。由表1可知，天线阵具有较高的增益，在工作频带内，增益大于16.5 dBi。

表1 阵列天线在不同频点的法线方向增益

4 结语

设计出了一种双层宽波束圆极化微带天线，通过Ansoft HFSS软件仿真优化出天线的几何结构参数，并进行了加工和测试。采用该天线做为天线单元，组成一个4×4阵列，进行了天线阵的仿真、加工和测试。结果表明，该天线单元在天线阵中互耦较小，天线方向图基本上无畸变，适用于组阵。在工作频带内，阵列天线增益大于16.5 dBi，同时能够实现宽角扫描。该天线阵适用于对天线增益要求高，空域扫描范围大的接收和发射机中使用。

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