基于小型化天线的馈电网络研究

刘高辉，刘 伟

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)



基于小型化天线的馈电网络研究

刘高辉，刘 伟

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

针对现有的北斗系统B3频段接收天线整体接收设备小型化的问题，需要相对应的小型化圆极化馈电网络。提出了一种紧凑型结构的馈电网络，该馈电网络采用双层结构和威尔金森功分器，在面积上进行压缩，使得直径仅有45 mm，中心频率1.268 GHz，带宽为300 MHz，四端口相位依次滞后0°、90°、180°、270°。该馈电网络结构紧凑，面积小，非常适合应用在圆极化四臂螺旋天线馈电网络中。

北斗系统;馈电网络;小型化;四臂螺旋天线

0 引言

近年来，由于卫星导航事业的迅猛发展，四臂螺旋天线因为其良好的圆极化、宽波束、相位稳定等特性被应用于航天航空一些特定的领域[1]。常用的导航天线四臂螺旋天线因为尺寸相对较大，不能满足一些小型化接受设备的应用要求，因此，四臂螺旋天线小型化和馈电网络小型化一直是众多学者的研究对象[2-7]。

同时，伴随着四臂螺旋天线小型化产品的出现，馈电网络小型化面临着重大的挑战。馈电网络一般采用两种形式，一种是集成芯片的形式馈电，另一种是微带线馈电。集成芯片因为价格高的原因，很多学者会采用微带线的方式进行馈电，微带线需要印制在介质基片上，要实现相位依次滞后0°、90°、180°、270°，需要对微带线的长度进行调整，这样就造成馈电网络面积变大，与小型化的四臂螺旋天线不能同时实现小型化，制约了其发展。

针对这一现实问题，本文提出了一种新型结构的馈电网络，该馈电网络基于威尔金森功分器的原理[8-10]，再对其结构进行一定的改变，使得馈电网络在面积上有了很大一部分的缩减。这对于适应小型化的四臂螺旋天线有了进一步的发展。

1 威尔金森馈电网络理论

威尔金森功分器因为其无耗的特性，被广泛地应用于功分电路中，它可以实现任意的功分比，最基本的是等分情况。

传输线结构的威尔金森功分器原理图[11]如图1所示，总输入端口的特性阻抗为Z0，两端分支结构的特性阻抗为Z1和Z2，电长度为λ/4，为了保证威尔金森功分器的传输特性，需要注意以下3点：

图1 等分威尔金森功分器电路图

(1)输入端无反射；

(2)两个输出端电压相等；

(3)输出端功率比值为任意指定值1/k2。

由上述3点可得：

(1)

其中U2=U3，由式(1)可以得出功分器各部分传输线的阻抗关系。由传输线理论得：

(2)

设R2=kZ0，则Z3、Z4、R3的计算公式为：

(3)

取k=1，即得到等分的3 dB Wilkinson功分器，其中：

R2=R3=Z0

(4)

(5)

为了保证隔离度，在两个输出端口加入电阻R=2Z0。

2 馈电网络建模

本文设计的馈电网络的整体结构采用两层板的结构[12]，下层结构主要对信号产生一分二的输出，输入端加了阻抗匹配段，输出相位分别为0°和180°；上层结构主要对两路信号再分为四路，产生0°、90°、180°、270°的四路信号，实现圆极化要求。介质板材质选用介电常数为3.66的罗杰斯4350板材，大介电常数的材质对模型的体积有一定的缩减，但是，对其反射系数和隔离度有一定的影响。图2为模型的整体结构，图3为模型的侧视图。馈电网络印制在半径为22.5 mm的圆盘上，体积较原始体积能缩减将近一半。

图2 双层的馈电网络结构图

图3 馈电网络的侧视图

3 仿真分析

仿真由Ansoft公司高频结构仿真软件HFSS 13.0完成，得到S11、驻波，从S11图(图4)可以看出，回波损耗<-10 dB的带宽(BW)大约为200 MHz，中心频率点的损耗为-15 dB。

图4 S11图

如图5所示，端口2与端口3的相位差为90°。

图5 端口2与端口3相位差

如图6所示，端口2与端口4的相位差为180°。

图6 端口2与端口4相位差

如图7所示，端口2与端口5相位差为270°。

图7 端口2与端口5相位差

由图8可以看出，在中心频率附近输入端口到4个输出端口的传输系数基本保持一致，信号经过输入端口后可以平均分配到4个输出端口，实现平衡输出，反射较小，结果符合设计指标。本结构中，得到的插入损耗并不算小，一方面是因为所选择的介质板的损耗较大；另一方面是从输入端口到输出端口的走线过长，在实际应用中，可以选择较小损耗的介质板材料或者缩短走线来减小插入损耗。

图8 4个输出端口插入损耗的仿真结果

4 结论

本文提出一种新型结构的圆极化馈电网络，实现了为小型化四臂螺旋天线馈电的要求，在北斗B3频段，相比国内外小型化的馈电网络，此相移网络直径为45 mm，有了明显的缩减，结构更加紧凑。同时，具有良好的前后比和辐射特性，非常适合GPS、北斗卫星系统和手持设备应用需求。本文着重分析了功分网络的性能和结构，将仿真结果和实际需要结合进行分析，达到实际应用的需求，显示了很好的匹配特性。该馈电结构还需要在阻抗匹配、降低成本和工作环境对其影响方面进行研究，从而促进其在导航市场的应用。

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Research on feed network based on miniaturized antenna

Liu Gaohui, Liu Wei

(School of Automation and Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In order to solve the problem of the miniaturization of the whole receiving equipment of the B3 band receiving antenna in the existing Beidou system, the corresponding small circular polarization feed network is needed. This paper presents a compact structure of the feed network. The feed network adopts a double layer structure and Wilkinson power divider to compress the area, so that the diameter is only 45 mm, the central frequency is 1.268 GHz, bandwidth is 300 MHz, four port phase lag in turn 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees. The proposed feed network is compact in structure, small in size, and is very suitable for using in circular polarized quadrifilar helix antenna feed network.

Beidou system; feed network; miniaturization; quadrifilar helix antenna

TN828.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.025

刘高辉，刘伟.基于小型化天线的馈电网络研究[J].微型机与应用，2017,36(13)：82-84.

2017-01-15)

刘高辉(1968-)，男，博士，副教授，主要研究方向：天线设计、通信信号处理、雷达信号处理等。

刘伟(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：天线设计。