新型L频段双圆极化微带阵列天线的设计*

李 文，姚宜东，徐 毅，袁伟涛，杨新华，王启申

（北京航天控制仪器研究所，北京 100094）

新型L频段双圆极化微带阵列天线的设计*

李 文，姚宜东，徐 毅，袁伟涛，杨新华，王启申

（北京航天控制仪器研究所，北京 100094）

圆极化阵列天线由于其自身的性能特点，在现代无线应用中越来越受到广泛的关注。因此，提出一种宽轴比的L频段圆极化贴片天线。该天线采用特殊的双层馈电网络，分别为辐射贴片相邻的两个侧边提供0°和90°馈电。两层馈电网络结构尺寸完全相同，通过电桥连接两层馈电网络，以严格保证辐射贴片相邻两边的馈电幅度以及90°相位差，提高天线圆极化性能。设计结果显示，该天线工作在1.525～1.559 GHz，天线极化方式为左右旋双圆极化，天线增益＞13 dBi，驻波＜1.5，方向图E面波瓣宽度和H面波瓣宽度＞25°。

圆极化；微带阵列天线；轴比；带宽

0　引 言

天线作为无线通信系统中的一个关键组成部分，其性能的好坏直接影响着整个通信系统的工作性能。无论是在民用通信还是军事国防领域，无线通信系统对天线单元及阵列的增益、方向图、阻抗带宽和极化特性都提出了更高的要求。在实际应用中，采用阵列技术往往能够使天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性，因此获得了广泛的应用。

1　微带天线的设计

本文设计的微带阵列天线的主要指标：工作频率在1.525～1.559 GHz；方向图E面波瓣宽度和H面波瓣宽度＞25°；天线极化方式为左右旋双圆极化；驻波＜1．5；天线增益＞13 dBi；尺寸约为400 mm×260 mm。图1为天线整体仿真模型示意图。

图1　天线整体仿真模型

1.1微带天线单元

天线单元采用方形微带贴片天线形式，馈电方式为边缘中心点侧馈，采用正交的双馈线实现双线极化合成圆极化。

本文选取的介质基片为低密度聚乙烯（LDPE）发泡，其低介电常数εr=1.08，将获得较低的损耗，并且具有重量轻的优点[1]。随着介质基片的厚度增大，Q值降低，频带变宽，但同时也破坏了天线的低剖面特性，增加了天线的重量。综合考虑，最后选取基片厚度h=1.6 mm。由介质基片参数，根据式（1）、式（2）和式（3），计算求得辐射贴片的初始尺寸L，使得谐振频率为1.542 GHz。

结合利用HFSS软件，获得天线单元的最终结构尺寸，求得辐射贴片边长81 mm，由于所设计的天线要实现宽带圆极化，在天线相邻两边引出馈线段，长度为1/4介质波长（d1+d2），使得天线单元的输入阻抗为100 Ω[2]。它的结构模型如图2所示。

图2　天线单元结构

1.2天线阵设计

设计指标要求天线增益大于13 dBi。根据仿真结果，单个微带贴片单元的增益约6～7 dBi，6个单元的阵列增益为13.7～14.7 dBi，既能满足13 dBi的指标要求，又能为馈电网络损耗提供一定余量。因此，本文采用6个辐射单元天线组成3×2天线阵，以提高天线增益。为获得较高增益同时抑制副瓣电平，经优化发现最佳单元间距为0.9倍介质波长。结合天线整体尺寸的限制，最终选定横向单元间距x为125 mm，纵向单元间距y为120 mm，如图3所示。

图3　天线阵列结构

馈电网络是线阵设计的重中之重，其产生的寄生辐射会严重影响天线阵的方向性，因此需要考虑馈电网络的优化设计。传统的共面馈电天线阵，其馈电网络的寄生辐射使得天线交叉极化变大，严重恶化了天线的轴比[3]。本文的天线采用特殊的双层馈电网络，分别为辐射贴片相邻的两个侧边提供0°和90°馈电。两层馈电网络结构尺寸完全相同，如图4所示。通过电桥连接两层馈电网络，可以严格保证辐射贴片相邻两边的馈电幅度以及90°相位差。馈电网络与天线的不共面设计，大大减弱了馈电网络与天线单元之间的耦合，同时馈电网络与天线的一体化连接，减少了不连续性产生的反射，且加工简单[4]。该馈电网络结构能够明显改善回波损耗和增大3 dB轴比带宽。馈电网络的核心部分采用λ/4波长阻抗变换器来实现阻抗匹配。为满足各端口等功率分配和依次90°相差，最终设计的各段阻抗值满足：

式中，Z0=100Ω，为单元天线输入阻抗；Zin=50Ω，为天线馈电输入端口阻抗。

图4　单层天线馈电结构

两层馈电网络由3 dB分支电桥连接，基本结构如图5所示。各分支长度为中心频率波长的1/4，各分支电桥的各个端口接匹配负载，主路特性导纳为支路特性导纳的2倍。本设计中，信号从1端口馈入；4端口没有输出，为隔离端；3端口比2端口的输出相位滞后90°；且1端口输入的功率被平均分配至2端口和3端口。

图5　3 dB电桥结构

1.3阵列天线的设计和仿真结果

通过三维电磁仿真软件HFSS对本文设计的天线进行建模、仿真和优化，讨论双圆极化天线的右旋仿真结果。

从图6可以看出，阵列天线的回波损耗在工作频段内均小于-10 dB。

图6　天线的回波损耗仿真曲线

图7为天线右旋圆极化轴比随频率变化曲线。可以看出，在频段1.525～1.559 GHz范围内，轴比小于2。

图7　天线轴比仿真曲线

如图8所示，阵列天线在f=1.525 GHz时的增益为14.5 dBi，方位面半功率波束宽度为28°，俯仰面半功率波束宽度为41.5°。

图8　阵列天线在f=1.525 GHz的情况

如图9所示，阵列天线在f=1.542 GHz的增益为14.6 dBi，方位面半功率波束宽度为27.5°，俯仰面半功率波束宽度为40.5°。

图9　阵列天线在f=1.542 GHz的情况

如图10所示，阵列天线在f=1.559 GHz的增益为14.6 dBi，方位面半功率波束宽度为27°，俯仰面半功率波束宽度为40°。

图10　阵列天线在f=1.559 GHz的情况

1.4天线的加工与测试

最后，对天线进行实际的加工和测试，以验证该设计方案的有效性。为了获得较宽的带宽和最佳的广角轴比，天线部分采用低密度聚乙烯（LDPE）发泡支撑，介电常数为1.08，大小为400 mm×260 mm[5]。天线辐射单元贴片采用0.2 mm厚铜片，尺寸按照上述设计的参数要求，上下层对齐准确地粘贴在泡沫基板上。为了降低加工的复杂性、避免馈电点的不连续性并增大阻抗带宽，采用焊接铜柱直接馈电[6]。天线上层辐射贴片通过底层馈电相移功分网络伸出的铜柱进行激励。功分网络采用微带线结构，介质部分采用罗杰斯5880介质板，介电常数3.9，厚度1.575 mm[7]。天线输入端口采用SMA接头，最终的天线加工实物如图11所示。

图11　天线加工实物

2　结 语

本文介绍了一种多层正交馈电的圆极化微带天线的设计方法，在优化天线阵列间距的基础上，采用特殊的双层馈电，两层馈电结构完全相同，以减少馈电网络与天线单元之间的耦合，使得天线的3 dB轴比带宽满足设计要求。实测结果表明，天线在海事卫星通信频段内，回波损耗小于-10 dB，增益大于14.5 dB。可见，设计的天线具有良好的圆极化特性，并且结构简单、重量轻、体积小、便于制造，应用前景广阔。

[1] JAZI M N,AZARMANESH M N.Design and Implementation of Circularly Polarized Microstrip Antenna Array Using a New Serial Feed Sequentially Rotated Technique[J]. IEEE Proceedings Microwaves Antennas and Propagati on,2006,153(02):133-140.

[2] HERSCOVICI N.NEW Considerations in the Design of Microstrip Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1998,46(06):807-812.

[3] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991. ZHONG Shun-shi.Microstrip Antenna Theory and Application[M].Xi'an University of Electronic Science and Technology Press,1991.

[4] 林昌禄.近代天线设计[M].北京:人民邮电出版社,1990. LIN Chang-lu.Modern Antenna Design[M].Beijing:Posts and Telecom Press,1990.

[5] Sean M duffy.An Enhanced Bandwidth Design Technique for Electromagnetically Coupled Microstrip Antenna on a Microwave Substrate[J].IEEE Trans on Antennas and Pr opagation,2000,48(02):161-164.

[6] 管耀武,吴其山,黄世勇.常用短波鞭天线性能优化工程技术研究[J].通信技术,2014,47(08):973-976. GUAN Yao-wu,WU Qi-shan,HUANG Shi-yong.A Method to Improve the Performance of HF Whip Antenna[J]. Communications Technology,2014,47(08):973-976.

[7] 赵书伦,杨春香,徐毅.湖南光电高清动中通卫星车系统[J].导航与控制,2013(01):30-34. ZHAO Shu-lun,YANG Chun-xiang,XU Yi.MSCS of HD Used in HUNAN Broadcast and TV[J].Navigation and Control,2013(01):30-34.

李 文（1988—），男，硕士，工程师，主要研究方向为天线研究与设计、数字电路设计等；

姚宜东(1984—)，男，博士，工程师，主要研究方向为天线研究与设计；

徐 毅（1979—），男，本科，高级工程师，主要研究方向为卫星移动通信技术及应用；

袁伟涛（1981—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为控制科学与工程；

杨新华（1985—），女，硕士，工程师，主要研究方向为天线研究与设计；

王启申（1988—），男，硕士，工程师，主要研究方向为机械结构与设计。

Design of Novel L-Band Double Circularly-Polarized Microstrip Array Antenna

LI Wen,YAO Yi-dong,XU Yi,YUAN Wei-tao,YANG Xin-hua,WANG Qi-shen
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100094, China）

Circularly-polarized array antennas attract more and more attentions in the modern wireless applications because of its specific performance characteristics. A L-band circularly-polarized microstrip patch antenna working in wide axial ratio bandwidth is proposed. The antenna adopts the special double feed network, thus to provide 0 degree feed and 90 degree feed to the two adjacent sides of radiation patch respectively. Two layers of feed network are same in structural size, and connected through the bridge to ensure that the two adjacent sides of radiation patch have 90 degrees phase difference, thus improving circular polarization performance of the antenna. The simulation results show that the microstrip array antenna could work at 1.525 ～1.559 GHz; with double circular polarized antenna; antenna gain ＞ 13 dBi; VSWR ＜1.5; E and H plane lobe width ＞ 25°.

circular polarization; microstrip array antenna; axial ratio; bandwidth

TN822

A

1002-0802(2016)-08-01093-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.026

2016-04-20;

2016-07-23

date:2016-04-20;Revised date:2016-07-23