单馈点宽带圆极化微带天线设计﹡

秦文奕

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

微带天线是天线家族中不可或缺的重要成员，由于其具有剖面低、重量轻，可共形，易与有源器件集成等优点，在卫星通信、导航等领域应用广泛。特别是圆极化微带天线，由于具有较强的抗干扰能力，被广泛地应用于通信和电子对抗、电子侦察和干扰等领域[1-2]。圆极化微带天线的馈电方式主要有:单点馈电[3-5]、双点馈电[6-7]或四点馈电[8]。其中，单馈点圆极化微带天线的优点是结构简单，不需要功分器和移相器等正交馈电网络，缺点是轴比带宽比较窄。采用双点馈电或四点馈电，虽然可以展宽圆极化轴比带宽，但又产生了馈电网络结构复杂的缺点。文献[9]利用层叠结构获得了较宽的圆极化轴比带宽，但其馈电方式采用的是耦合馈电，介质层较多，结构相对复杂，不利于工程应用。

文中主要分析和设计了一种结构简单易于加工实现的单点馈电圆极化微带天线，这种天线采用同轴探针背馈方式，通过双层辐射贴片耦合来提高天线的带宽，结构简单，避免了多点馈电方式或缝隙耦合馈电方式中复杂的馈电网络，在工作于L波段时，阻抗带宽达到 10%（VSWR＜2），轴比小于6 dB的带宽也达到10%。

1 天线设计

根据实际的使用需求，天线要满足如下指标：

1)天线类型：微带天线。

2)下行频段：1 525～1 559 MHz。

3)上行频段：1 626.5～1 660.5 MHz。

4)极化方式：左旋圆极化。

5)轴比：≤6 dB。

6)波束宽度：≥80°（俯仰）。

7)天线增益：>6 dB。

双频圆极化微带天线的设计思路有两个：一是使微带天线工作在离散的两个频段；二是扩展微带天线的带宽,使其能够覆盖两个需要的工作频段。第一种思路在频率间隔（即双频比）较大时行之有效，但在两个频段间隔较小时却不可行。在具体的工程应用中，由于系统上、下行工作频段接近，因此只能采取第二种方式，即展宽天线带宽，将上、下行频段都包含在内。由于安装位置及高度的限制，文中设计的微带天线必须采用单点背馈的方式，单馈点微带天线多采用缝隙耦合、邻近耦合、共面波导等馈电方法展宽带宽。基片多采用较厚的泡沫材料或空气以降低其 Q值，厚度可以做到 0.054λ，但考虑到实际使用需求对天线厚度及结构强度等方面的限制，基片不能采用泡沫材料或空气。为了尽可能的展宽天线频率宽度，降低微带天线的品质因素Q值，两层介质基板均选择ARLON公司介电常数为2.5、厚度约为4.75 mm的介质基片。

天线结构如图1所示，它由两个圆极化微带天线单元组成，下层单元为激励单元，上层单元为寄生单元。选择矩形贴片为辐射元，采用探针直接对下层单元馈电，通过调整上下两个矩形贴片的尺寸，馈电点距离贴片中心的位置可以获得较好的宽带匹配特性。在此基础上，再调矩形贴片长短边尺寸比可以明显改善圆极化特性。

图1 天线结构示意

2 仿真结果分析

根据经验公式计算出下层辐射单元的尺寸，采用基于有限元法的商用软件 HFSS12对上下层矩形贴片的尺寸及馈电点位置进行仿真设计，通过调整上、下层贴片的尺寸及馈电点位置可使天线达到足够宽的带宽。优化后的天线结构参数为：介质基板尺寸G=80 mm，厚度H1=H2=4.75 mm；下层辐射贴片尺寸L1=56 mm，W1=51 mm；上层辐射贴片尺寸L2=52 mm，W2=48 mm；馈电点距离中心的距离Fx=14 mm，Fy=9 mm。天线的S参数，辐射特性及频带内增益曲线如图2、图3、图4和图5所示。

图2 天线回波损耗仿真结果

图 3 天线方向

图 4 天线增益随频率变化曲线

图 5 天线轴比随频率变化曲线

天线的回波损耗曲线如图2所示。仿真结果表明，天线在1.50～1.67 GHz的范围内回波损耗小于-10 dB。图3给出了天线分别工作于上行频率1 525 MHz和下行频率1 660 MHz时的辐射方向图。从图中可以看出，天线工作在上边频及下边频时，其方向图最大增益均大于6 dB，3 dB波瓣宽度均大于90°，完全达到指标要求，并留有一定设计余量。图4和图5分别给出了整个宽频带内天线增益及轴比随频率变化曲线，结果显示天线的增益带宽及轴比带宽均达到设计要求。

3 结语

文中从通信天线实际使用需求出发，采用单点馈电层叠结构，通过调节矩形辐射贴片长短边比及馈电点位置，实现了宽带圆极化特性。天线工作在L波段，同时覆盖通信上、下行频段（1 525～1 660 MHz），辐射左旋圆极化波。为尽量展宽天线带宽，使用的介质基板较厚，受表面波和高次模的影响，天线的阻抗带宽和轴比带宽不完全吻合，但性能指标已满足设计要求。该天线结构简单，体积小，成本低，加工方便，可广泛的应用于通信及其他领域。

[1] 张学礼,赵海洲.一种宽带圆极化天线阵的设计[J].通信技术,2009,42(10):43-45.

[2] 侯维娜,邵建兴,刘湘梅.一种新型小型化微带天线的分析与设计[J].通信技术,2009,42(12):22-26.

[3] WONG K L, HUANG C C, CHEN W S.Printed Ring Slot Antenna for Circular Polarization[J].IEEE Trans.on AP, 2002,49(01):75-77.

[4] LEE C S,VAHAKN N.Planar Circularly Polarized Microstrip Antenna with a Single Feed[J]. IEEE Trans.on AP,1999,40(06):1005-1007.

[5] YEN C, SIM D, LIN K W,et al.Design of an Annular-Ring Microstrip Antenna for Circular Polarized[J].IEEE Trans.on AP,2004,32(04):471-474.

[6] LAU K L,LUK K M.A Novel Wide-Band Circularly Polarized Patch Antenna Based on L-Probe and Aperture-Coupling Techniques [J]. IEEE Trans.on AP,2005,47(01):577-580.

[7] 张辉,张晓发.基于 H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J].电子与信息学报,2007,29(04):991-993.

[8] WONG K L,CHIOU T W.Broad-Band Sing-Patch Circularly Polarized Microstrip Antenna with Dual Capaci-tively Coupled Feeds[J]. IEEE Trans. on AP,2001,49(01):41-44.

[9] 朱莉,王光明,高向军,等.一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J].微波学报,2008,24(03):21-24.