倾斜波束非对称SAARS微带天线设计

李思佳,曹祥玉,高 军,郑秋容,杨欢欢

(空军工程大学信息与导航学院,陕西西安 710077)

倾斜波束非对称SAARS微带天线设计

李思佳,曹祥玉,高 军,郑秋容,杨欢欢

(空军工程大学信息与导航学院,陕西西安 710077)

为了实现圆极化天线的倾斜波束,在单臂阿基米德螺旋(Single-Arm ARchimedean Spiral,SAARS)天线的基础上,联合柱状螺旋天线的非对称结构,设计出了一款波束倾角为30°的等圈非对称圆极化天线.通过对螺旋臂参数和馈电连接线的优选,拓展了天线的带宽,优化了天线的辐射性能.在垂直孔径同轴馈电方式的激励下,同时考虑电压驻波比小于2、轴比小于3 dB和30°倾斜波束的条件,天线工作的相对带宽约达16.7%.仿真和实测结果吻合较好,表明所设计的天线不仅具有良好的带宽、较高的增益,同时实现了圆极化波束倾斜.

微带天线;圆极化;倾斜波束;单臂阿基米德螺旋线;非对称结构

当前倾斜波束主要通过多波束阵列天线[1]、波束赋形[2]和方向图综合[3]等方式实现.然而,由于阵列天线具有结构复杂、馈电难度大等特点,其应用范围受到了限制.如何实现天线单元的倾斜波束,使天线设计与波束倾斜一体化,成为了天线设计亟待解决的问题.为此,文献[4]设计了一种弯曲的双叶片天线,实现了天线的线极化倾斜波束;文献[5]进一步分析了对称四叶片天线的性能,实现了双向的线极化倾斜波束.这些研究推进了线极化倾斜波束天线技术的广泛研究.然而由于圆极化倾斜波束天线的辐射需同时考虑电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)、波束方向和轴比(Axis Ratio,AR)等指标,其实现难度更大,相关研究较少.文献[6]通过等角螺旋天线和同轴外部侧馈激励的方式,设计了一种圆极化倾斜波束天线,该天线具有微带线宽相等、螺旋圈数不同的结构特征,其工作的相对带宽约为8.6%(11.7～12.75 GHz).但该天线的波束倾斜依赖于大反射底板(反射底板直径至少为波长的5倍).

阿基米德螺旋天线(ARchimedean Spiral Antenna,ARSA)由于具有圆极化、宽带宽等优良特征而得到学者们的广泛研究和应用[7-8].与等角螺旋天线相比,阿基米德螺旋线具有变化缓慢、同面积条件下天线臂线更长的优点,进而能改善天线带宽和轴比性能.一般条件下,双臂ARSA通过金属腔体实现圆极化竖直波束.笔者基于单臂阿基米德螺旋天线(Single-Arm ARS,SAARS)非对称结构和圆柱形螺旋天线3种辐射模式的启发,结合ARSA的宽带特征和设计准则[9]为天线的最大矢径),通过SAARS与圆柱螺旋线的联合构造了等圈数非对称结构,在垂直孔径同轴馈电条件下,设计出宽带、圆极化、倾斜波束的SAARS微带天线.仿真和实物测试验证了天线具有30°倾斜波束的特征,同时保证了天线圆极化辐射性能.

1 SAARS微带天线的设计与优化

1.1 SAARS微带天线的设计

阿基米德微带螺旋天线具有圆极化特性,其天线方程为[10]

其中,r0为天线的起始矢径,a为螺旋增长率,φ为相位,δ为初始相位.笔者所设计天线在圆柱顶面采用SAARS结构,圆柱顶面上的平面螺旋线与同轴馈电之间采用柱状螺旋线的方式连接,具体的设计结构如图1所示,对应的设计参数见表1.所设计的天线贴在介质桶上,介质桶的厚度为ρ,内外半径分别为rmax和rmax-ρ,内外高度分别为h和h-ρ,其相对介电常数为εr.为了拓展带宽,设计的天线具有柱状螺旋线与平面SAARS线相同的螺旋圈数,且微带线宽不等的特征.平面SAARS线的线宽为r0,相邻螺旋线之间的节距为Δr,介质桶侧面的螺旋线的线宽为h0,其对应相邻螺旋线之间的节距为Δh,馈电方式采用同轴馈电,避免了ARSA金属腔体的复杂结构.反射面采用半径为R的金属平面.与文献[6]采用等角螺旋线和同轴外部侧馈方案不同的是,文中天线顶部采用了SAARS线,结合侧面柱状螺旋线形成了非对称结构,在馈电部分采用了垂直孔径同轴馈电的方法.

图1 倾斜波束天线的结构

表1 倾斜波束天线的相关参数

1.2 参数优选

为了进一步提高天线的性能,使用基于有限元法的Ansoft HFSS12软件对所设计的平面SAARS线结构和馈电连接的柱面螺旋线结构进行优化,采用4π的螺旋线结构进行馈电连接,其中h0为1.8 mm,Δh为5.4 mm,同轴馈电高度为1.2 mm时,不同Δr和r0条件下的天线VSWR结果如图2所示.通过图2(a)不同r0条件下VSWR的仿真曲线比较可知,r0=2.6 mm时,VSWR带宽最宽,因此,选取该参数为所设计天线的尺寸.通过图2(b)不同Δr条件下VSWR的仿真曲线比较可知,Δr=5.4 mm的性能最佳.在Δr=5.4 mm和r0=2.6 mm条件下,不同h0和Δh条件下的天线VSWR结果如图2(c)和2(d)所示.由图2(c)可知,当h0=1.82 mm时,VSWR的效果最好;通过图2(d)的VSWR仿真曲线比较可知,选择Δh=5.8 mm最佳.

图2 不同情况下的天线VSWR性能比较

1.3 馈电优选

与文献[6]使用同轴外部侧馈方法不同的是笔者在设计中采用了垂直孔径同轴馈电的方法,该方法在介质桶上通过垂直孔径将同轴线的内芯接到介质桶侧面的螺旋线上,外芯接到反射面,实现了垂直孔径同轴馈电,如图3所示.采用同轴外部侧馈和垂直孔径同轴馈电的仿真结果如图4所示.从图中可以明显看出,除了个别窄带频段外,整体上垂直孔径同轴馈电条件下天线的VSWR比同轴外部侧馈的天线性能好.这主要是因为外部侧馈会引起附加电容,产生较大的感抗,影响天线的匹配效果,减小天线的带宽;侧馈部分也会向外辐射能量,产生较大的交叉极化分量,降低天线的增益;同时侧馈也会引起表面波,影响天线辐射性能.

图3 两种馈电方法的示意图

图4 两种馈电方法及实测的天线VSWR性能

2 性能分析

2.1 侧面柱状螺旋线的性能

侧面圆柱螺旋线具有3种辐射模式[11],其辐射状态为

其中,γ为螺旋圈的周长与波长的比值,结合图1的参量,γ定义为

由前面的参数和式(2)、式(3)可知,当天线的工作频率在2.8～4.91 GHz时,天线工作于轴向模;当其工作频率大于4.91 GHz时,天线工作于锥形模.根据极化特性可知,天线辐射的电磁波为圆极化波.

2.2 平面SAARS天线的性能

对于SAARS天线,当天线圈数为1圈时,其轴比带宽仅有7%;平面SAARS的周长满足式(4)的关系时,其辐射电磁波为圆极化波[12].根据前面的天线尺寸和工作的频段5.5～6.5 GHz可知,所设计的平面SAARS形成了圆极化波.

2.3 综合性能

倾斜波束非对称SAARS天线主要通过SAARS的周长确定波束的倾斜程度,利用侧面柱状螺旋微带线实现圆极化辐射.该天线将平面SAARS线的倾斜波束和侧面柱状螺旋线的锥形模有机综合,在远区形成圆极化倾斜波束.由于侧面螺旋天线具有不同类型的工作模式,它将直接影响所设计微带天线的工作性能.由前面的分析可知,当工作频率小于4.91 GHz时,天线具有圆极化特征,波束不会倾斜;当工作频率大于4.91 GHz时,天线辐射圆极化波的同时具有倾斜波束的特征.该结论将通过仿真和天线测试予以验证.

3 仿真与测试

为了验证天线的倾斜波束和圆极化特征,在加工了如图5所示的实物基础上,通过VSWR、AR和方向图的实际测量,验证了设计的正确性.实测的VSWR曲线如图4所示(测试的矢量网络分析仪型号为Agilent N5230C).由图可知天线在VSWR小于2条件下,实测相对带宽约达126.6%(4～17.8 GHz),具有超宽带特性.图6是天线轴比的仿真和实测结果.在实测中当反射板直径为2倍波长时,在AR小于3 dB的条件下,天线在4.5～6.5 GHz内产生圆极化波,其AR相对带宽约为36.4%,所设计的等圈非对称SAARS天线达到了圆极化目标.天线仿真和实测的方向图如图7所示.可以看出,天线在5.5～6.5 GHz范围内都具有倾角30°的特征(误差小于5%),天线增益在7.5 dBi以上.总体上看,天线实测的φ=0°面和φ=90°面结果与仿真的吻合较好,但存在微小的偏差,其主要原因是由于实测环境和加工误差的影响.当工作频率为4.5 GHz时,仿真和实测都显示出了波束的非倾斜特征,证实了前面分析的正确性;当工作频率为7.5 GHz时,其天线工作在锥形模,产生了锥形波束.从仿真和测试的结果可以看到,所设计的天线具有方向图随频率变化的特征,但在一定范围内形成了相对稳定的倾斜波束方向图.综上可知,所设计的等圈非对称倾斜波束天线在5.5～6.5 GHz内产生圆极化的倾斜波束,其工作相对带宽在16.7%以上.与文献[6]等角螺旋线的不同圈数等带宽相比较,文中通过SAARS与圆柱形螺旋线的非对称结构,实现了圆极化的波束倾斜,带宽的控制更利于VSWR和AR的改善;SAARS由于螺旋线变化缓慢,同面积条件下天线臂线更长,从而更利于波束倾斜角度的控制.

4 结束语

倾斜波束天线技术的研究是将天线设计与波束赋形有机结合,在保持了天线有效辐射性能的同时,通过天线设计实现波束倾斜.笔者通过圆柱形螺旋天线和单臂平面阿基米德螺旋天线的有机结合,形成了天线的非对称结构,在垂直孔径同轴馈电激励下,完成了圆极化波束倾斜的阿基米德螺旋微带天线设计.仿真和实测结果表明,文中设计的等圈非对称SAARS天线具有圆极化的倾斜波束.在VSWR小于2的条件下,天线的相对带宽约达126.6%;在AR小于3 d B的条件下,天线的相对带宽约为36.4%;同时考虑VSWR、AR和30°倾斜波束的条件,天线工作的相对带宽约为16.7%.由于倾斜波束圆极化天线技术的研究处于起步阶段,能够在不改变天线的同时实现波束的旋转将是下一步研究的重点.

图5 加工的天线实物图

图6 天线的AR结果

图7 天线的辐射方向图

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(编辑:李恩科)

SAARS microstrip antenna design with an asymmetrical structure and a tilted beam

LI Sijia,CAO Xiangyu,GAO Jun,ZHENG Qiurong,YANG Huanhuan
(School of Information and Navigation,Air Force Engineering Univ.,Xi’an 710077,China)

A circularly polarized microstrip antenna with the tilted beam of 30°through the asymmetrical structure combing the single-arm archimedean spiral antenna with the helix antenna is constructed in order to make the beam tilted.The bandwidth,tilted beam,and radiation characteristics have been improved through the width optimization and coaxial feed line selection.This antenna can realize the directional radiation of circularly polarized microwaves in a definite frequency band and has a bandwidth of 16.7%(for Voltage Standing Wave Ratio(VSWR)＜2,Axis Ratio(AR)＜3 dB and the tilted beam of 30°)in the condition of the vertical aperture external excitation with a coaxial feed line.Simulated and measured results show that this antenna has a wideband,high gain,and tilted beam with circularly polarized microwaves.

microstrip antenna;tilted beam;circularly polarized wave radiation;single-arm archimedean spiral;asymmetrical structure

TN82

A

1001-2400(2014)01-0164-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.029

2012-09-29 < class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2013-09-16

国家自然科学基金资助项目(61271100);陕西省自然科学基础研究重点资助项目(2010JZ010);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2012JM8003);空军工程大学博士研究生创新基金资助项目(20110301)

李思佳(1987-),男,空军工程大学博士研究生,E-mail:lsj051@126.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.204_025.html