采用弧形耦合馈电的宽带圆极化陶瓷天线

魏晓东 张洪林，2 胡斌杰

（1.华南理工大学电子与信息学院，广东 广州510640；2.东南大学毫米波国家重点实验室，江苏 南京210096）

引 言

近来对兼容多个全球卫星定位系统设备的需求呈增长趋势.这些设备既可以工作在建设中的卫星定位系统中，如北斗II代和伽利略系统，也可以在需要的情况下切换到GPS或者GLONASS等系统中以保证定位系统的稳定、不间断工作［1］.

在卫星定位系统中常常会使用环形贴片天线作为接收设备的天线.环形贴片的工作频率由其内外半径共同决定［2］.通常情况下采用直接馈电法或者耦合馈电法对环形贴片进行激励.直接馈电法一般采用单个馈电点进行激励，所实现的圆极化轴比带宽较窄.对环形贴片天线采用直接馈电法所得到的轴比带宽比较窄［3-4］.环形贴片天线一般工作在TM11模式［2］，此时其输入阻抗很高，不适合采用直接馈电法进行激励.因此需要在环形贴片和馈电端口或负载之间加入匹配电路实现良好的信号传递.这要求在设计方案中加入部分额外的空间用于布放阻抗匹配电路和馈电线路.采用正交相位的双馈电方法可以有效地扩展天线的轴比带宽［5-7］.但是采用这种技术又需要额外的空间用于摆放功率分配和相移电路，不利于天线的小型化.采用耦合馈电方式，例如L形探针对天线进行耦合馈电可以扩展天线的带宽，但这种方法要求加入空气或者高频泡沫作为天线的介质.这种方式在大规模的应用中并不可取，因为空气或高频泡沫介质对天线的辐射贴片和耦合贴片的固定提出了相当高的要求.

提出了一种小型化的宽带圆极化环形天线，它的结构使其能满足大规模应用所提出各种要求.这个环形天线采用了高介电常数的陶瓷作为环形辐射贴片的介质，并采用了两个位于环形贴片内测边缘的弧形贴片用于耦合激励.为了在两个弧形贴片上形成等幅、正交的激励信号，在陶瓷的另一面加入了一个基于带状线技术的功率分配器，其输出的信号为等幅正交信号.该功率分配器的基板正好与陶瓷介质相重叠，所以它没有占用额外的空间.文中天线采用了环形贴片、陶瓷介质以及不占用额外空间的正交馈电网络，其尺寸比传统的半波长贴片天线缩小了89.6%.在设计中采用了正交双馈技术，天线的轴比带宽（小于等于3dB）和阻抗带宽（｜S11｜≤-10dB）分别达到了32%和28%.天线的最高增益也达到了3.9dBic.采用了较厚的陶瓷作为辐射贴片介质，天线的半功率波束宽度达到了115°，可以捕捉倾角较低的卫星所发出的定位信号.

1 天线设计

图1给出了所提出天线结构.天线的顶层用于印刷或者蚀刻天线的辐射贴片和弧形耦合贴片.而标注功率分配器层的这一个金属层则用于印刷／蚀刻用于功率分配和相位延迟的馈电网络.在功率分配器层中，威尔金森功分器将功率平均分配到两个输出端口上，并在两个端口上连接了相对相位差为90°的传输线实现两个馈电点之间的等幅、正交相位信号.

在图1中还展示了天线结构的剖面图.该剖面图清楚地展示了天线中所用到的各层介质和各金属层之间的关系.总的来说，在天线中有两层介质，其中上面一层是介电常数较高的陶瓷介质，其厚度为6mm，介电常数为9.2，正切损耗角为0.003.下面一层介质是带状线所需的介质，其厚度为1.53，介电常数为2.65，正切损耗角为0.002 7.上下两层介质的长宽均为50mm.图中列出的其他参数如下：Ri＝7.45mm，Ro＝14.7mm，αarc＝50°，Rarc＝6.65 mm，Fp＝5mm.图中Via为金属化过孔，TL1，TL2及TL3是50Ω传输线，TLh是70.7Ω传输线.

图1 所提出的天线的结构

天线中的馈电网络采用了带状线技术进行设计和加工.根据带状线的计算公式、介质厚度和介电常数计算得到了在厚度为1.53mm，介电常数为2.65等条件下的50Ω和70.7Ω的传输线的宽度分别为1.05mm和0.55mm.在功分器部分所需的两段70.7Ω的带状线的电长度均为四分之一波长；而连接在功分器输出端的两段50Ω传输线的电长度根据两个馈电点的位置进行调整，只是其中一条传输线的电长度比另一条传输线的电长度要长四分之一波长.这样就保证了输出到两个馈电点的信号具有幅度相等、相位正交的特性.在弧形激励贴片和带状线馈电网络输出端之间采用了直径为1.1mm的金属化过孔进行连接.

所提出的环形贴片天线被设计成工作在1.56 GHz.这个频率是北斗II代的在L波段的工作频率.为了减小天线的尺寸，将环形贴片的工作模式设定成环形贴片的TM11模，在这个模式下天线的最大辐射方向与环形贴片所在的平面垂直.但是，当环形贴片工作在TM11时其输入阻抗数值很高［2］，难以采用直接馈电方法对天线进行激励.这个问题可以通过采用容性耦合馈电给予解决［8-9］.采用容性耦合馈电方式可以将环形贴片原有较高的输入阻抗转化为较低的易于匹配的阻抗，从而能采用较简单的馈电线路.此外，为了实现宽带圆极化天线，通常采用双馈或四馈点进行馈电.在天线中采用了较为简单的双馈点方式，两个馈电点之间的幅度相等，相位相差90°.上述馈电方式通过位于陶瓷戒指背面的带状线馈电网络和位于环形贴片内侧的两个弧形贴片实现.弧形贴片通过金属化的过孔与馈电网络的输出端连接.图1给出了具体的连接方式.

因为两个用于耦合激励的弧形贴片被放在环形辐射贴片的内侧，它们并不占用更多的空间.此外，由于弧形贴片对应的圆心角角度、其外边与环形贴片之间的距离等都能参与天线输入阻抗的从高到低的变换，所以这种摆放方式非常有效和节约空间.再有，从弧形贴片到金属化过孔之间的金属导线的长度也能参与阻抗调整，所以采用弧形贴片进行耦合馈电和阻抗变换的方式具有多维度的自由度.本设计中的所有金属层都是在各种介质表面通过印刷或者蚀刻工艺实现，而过孔也可通过沉铜工艺或插入金属柱实现，所以能实现大规模的生产.

2 结果与讨论

图2中展示了测试所得的天线输入端回波损耗曲线.从图中可以看到，天线的阻抗带宽达到了28%以上，即从1.38GHz开始一直到1.8GHz以上，反射系数S11都小于-10dB.

而图3则给出了测试的天线轴比曲线.从曲线可知，天线的轴比带宽大于32%.天线的轴比带宽较大要归功于陶瓷体背面的馈电网络实现了较好的幅度平衡度和正交相位.幅度平衡、相位正交的信号通过金属过孔传递到两个弧形贴片使得天线在较大范围内实现了良好的圆极化辐射特性.

图2 在天线输入端测试得到的回波响应曲线

图3 测试所得到的轴比曲线

图4给出了天线增益的测试曲线，该曲线表明天线的最大增益点在1.61GHz，该频率与设计的频率相比稍有偏高，这是因为陶瓷介质的参数略有降低；此外在陶瓷介质和底面的带状线功分器之间存在一定的空气间隙也导致等效介电常数偏低，所以环形贴片的谐振频率略有升高.这也就导致天线的最大增益点出现了一些偏移.通过仿真发现，在陶瓷介质和底部的带状线介质之间存在的0.1mm的空气间隙会使得天线的谐振频率从1.56GHz偏移1.61GHz.

图5展示了天线在其最大增益点（1.61GHZ）处的方向图.天线在x-z平面和y-z平面内的交叉极化比主极化低20dB以上；并且在这两个平面内都有超过115°的半功率波束宽度.有鉴于此，该天线可以有效地接收较大倾角处的卫星发出的定位／导航信号.这对于处于建设期的北斗II代以及Galileo系统而言是必须的.因为这两个系统的在轨卫星数目较少，必然出现小倾角范围内卫星数目不够而另一些卫星处于较大倾角的情况.有了这样的天线就能较好地接收更多卫星的信号、实现不间断工作.

图4 天线的增益测试曲线

图5 天线在1.61GHz的方向图测试曲线

3 结 论

提出的陶瓷圆极化天线比传统的半波长圆极化贴片天线缩小了约89.7%.天线中所有的金属线路通过印刷／蚀刻方式实现，并附着在固体介质表面，所以这种天线非常适宜于大批量生产.此外，由于采用了正交馈电方式，天线的轴比带宽达到了32%，而阻抗带宽也达到了28%以上.天线的馈电网络处于天线陶瓷体的背面，除了使天线的整体厚度增加1.53mm之外，它完全没有占据额外的空间.天线的最大增益为3.9dBic，在x-z，y-z平面的半功率波束宽度达到了115°，允许它覆盖较大倾角的卫星.

［1］JI S Y，CHEN W，DING X L，et al.Potential benefits of GPS／GLONASS／GALILEO integration in an urban Canyon-Hong Kong［J］.J Navigation，2010，63（4）：681-693.

［2］DAHELE J S，LEE K F.Characteristics of annularring microstrip antenna［J］.Electron Lett，1982，18（24）：1051-1052.

［3］ROW J S.Dual-frequencycircularly polarized annularring microstrip antenna［J］.Electron Lett，2004，40（4）：153-154.

［4］CHEN H M，WONG K L.On the circular polarization operation of annular-ring microstrip antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1999，47（8）：1289-1292.

［5］XUE Q，QU S W.Compact loaded slot ring antenna for circularly polarized radiation［J］.Electron Lett，2009，45（17）：866-867.

［6］GUO Y X，BIAN L，SHI X Q.Broadband circularly polarized annular-ring microstrip antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2009，57（8）：2474-2477.

［7］GUO Y X，LUK K M，LEE K F.L-probe proximityfed annular ring microstrip antennas［J］.IEEE Trans.Antennas Propag，2001，49（1）：19-21.

［8］VANDENBOSCH G A E，VAN DE CAPELLE A R.Study of the capacitively fed microstrip antenna element［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1994，42（12）：1648-1652.

［9］WONG K L，CHIOU T W.Broad-band single-patch circularly polarized microstrip antenna with dual capacitively coupled feeds［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2001，49（1）：41-44.