一种L波段全空域覆盖阵列天线设计与实现

中国电子科技集团公司第五十四研究所 郭丽江 任冀南 于秀沙 孙 良

0.引言

近年来无线通信技术的迅猛发展，对天线的性能要求也愈来愈高。天线作为电磁波传播的载体，在通信系统中的作用也越来越重要[1]。为了满足不同应用场合的不同实际需求，天线的设计通常需要定制化专门设计。本文介绍了一种波束覆盖全空域的L波段圆极化天线。

微带天线以其良好的电气特性以及微带天线本身具有结构小、重量轻、易集成等优点成为研究的重点[2-4]。常见的双极化微带天线采用共口径正交耦合馈电方式，两种极化的微带馈电网络布置在同一层，由于两极化馈电网络的相互影响，这样会天线的阵列规模受到限制。

且由于采用微带线馈电，天线背面需要一定厚度的空气层，无法集成安装其他设备[5-7]。

文献[8]中介绍了一种改进方法，在微带线馈电网络后面1/4 波长处增加一块金属地板，提高了增益，有利于安装，但这种方法大大增加了天线的整体厚度。文献[5]中介绍了一种馈电网络的的改进方法，采用多层微带天线形式，通过带线-同轴-波导的转换形式将两个极化的馈电网络隔离，分别布置于天线的不同印制板层，这样避免不同极化馈电网络之间的相互影响，但这样增加了设备的天线印制板层数，增加了设备的复杂度。

由于不同卫星的信号频率和极化方式不一样，因此对卫星通信天线的极化方式提出了更高的要求，本文根据具体需求，对上半空域的覆盖采用了圆极化微带天线，对下半空域的波束覆盖采用了垂直线极化的微带阵列天线形式，分别采用同轴探针馈电。实际加工了天线阵列，给出了测试结果，验证了设计的可行性。

1.天线的组成和原理

天线包含四个两单元下层阵列和一个顶部圆极化天线。天线组成框图如图1所示。天线需波束需覆盖整个空域，因此设计由一个圆极化微带贴片单元和四个两单元微带阵列构成一个组合天线。其中圆极化微带贴片天线单元放置与天线顶端，覆盖上半空域。四个两单元微带阵列天线相互正交放置，每个天线覆盖方位90°范围。通过对天线进行切换，实现方位波束的360°覆盖。天线接收到信号后，分别送入低噪声放大器进行信号放大。天线示意图如图1所示。

2.天线单元的设计

对于上半空域的覆盖，为了实现天线的圆极化功能, 首先设计一个圆形的圆极化微带贴片天线单元。微带贴片天线单元如图2所示，这种天线单元简单、易于制造, 并且具有良好的圆极化辐射特性。为了满足宽带特性，天线采用了寄生加载的结构形式[8]，其结构如图2所示。天线由上下两层结构组成, 上层是单面微波介质板，金属涂层位于介质板的上表面,是圆形贴片寄生单元，主要起到阻抗匹配和展宽带宽的作用；下层微波介质板为双层板，为正方形切角结构，同轴探针偏馈，目的是实现圆极化。两层结构由外支撑结构和螺钉固定。通过对单元参数的优化，最终天线外形尺寸为110mm×110mm×20mm。

图1 天线组成示意图

对于下半空域的覆盖，我们采用垂直线极化的微带阵列天线。天线单元如图3所示，这种天线单元类似于一对拉宽的对称振子天线，其结构如图3所示。天线由上下两层结构组成, 上层是双面印制板, 该层金属涂层双面对偶布置，形成对称振子天线结构，中间再通过二合一的合路器连接构成阵列，为主要的辐射单元。下层为仿真用的反射板，单层板，主要作用是反射电磁波，使上层辐射单元单向辐射。

图2 圆极化天线单元示意图

图3 阵列天线示意图

天线单元采用宽带印刷振子天线形式，通过优化反射板形状，可方便的对波束进行调节。宽带印刷振子天线示意图如图5所示。两个天线单元组成的线阵直接通过微带功分网络进行了合成，并通过宽带巴伦进行了阻抗匹配，使天线具有较宽的驻波带宽。

天线单元设计参数如下：

天线反射板宽度为100mm，长度为400mm，厚度为2mm。天线振子采用FR4印制板双面印刷而成。馈电巴伦及合成网络同时也印刷在印制板上。最终由SMA-K型接插件进行馈电。天线振子宽度25mm，长度80mm。阵列间距选取120mm。

3.仿真结果分析

根据上述单元的设计，我们利用电磁仿真软件HFSS18对该天线进行了仿真分析。仿真结果如图4、图5所示。

图4 圆极化天线电压驻波比仿真结果

图5 顶部圆极化天线方向图仿真结果

图6 天线阵列V线极化仿真结果

下面对下层的垂直极化天线阵列进行了仿真分析。仿真结果如图6所示。

仿真结果如图4～图6所示，天线电压驻波比在工作带宽内小于2.2，天线的方向图在工作频段内辐射特性良好。

同时，电磁软件仿真的增益上层天线大于6dBi，轴比在工作带宽内小于2。下层阵列天线增益大于8 dBi。具有很好的辐射特性。

根据仿真结果，加工了该阵列天线，并对天线进行了测试，天线样机如图7所示。

图7 天线样机照片

4.结论

本文介绍了一种波束覆盖全空域的微带阵列天线。天线分为两部分，上部分是圆极化切角天线单元，覆盖上半空域；下部分采用双单元组阵，分布在长方体的四个侧面，波束覆盖下半空域。天线均采用印制板形式，结构简单，容易实现，成本低廉，性能良好。通过电磁仿真软件的分析，结果表明，该天线性能良好。该天线可以为全空域覆盖天线的工程应用提供很好的参考，同时也具有良好的实用价值。

[1]谢处方,邱文杰等.天线原理与设计[M].1985(1).

[2]GHORBANI K,WATERHOUSE R B.Dual polarized wide-bandaperture stacked patch antennas[J].IEEE Trans Antenna Propagation,2004,52(8): 2171-2174.

[3]梁剑锋,常立新,刘宁,韩国栋.一种卫星移动通信双极化微带贴片天线[J].电子科技,2014(5).

[4]梁仙灵,钟顺时,汪伟.高隔离度的双极化口径耦合微带单元与阵列天线[J].上海大学学报:自然科学版,2007,13(1):10-13.

[5]肖疆,朱敏慧,王小青.一种新型双极化口径耦合微带天线单元的研究[J].微波学报,2006,22(4):24-31.

[6]王茂光,吕善伟,刘瑞祥著.阵列天线分析与综合[M].成都:电子科技大学出版社,1989.

[7]钟顺时著.微带天线理论与应用[M].西安电子科技大学出版社,1991.