一种双层宽波束微带天线的设计

商 锋, 胡 熠

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

微带天线(microstrip antenna)是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线[1-2]。微带天线因其体积小、重量轻、易实现圆极化、易与导体表面共形等特点，在卫星导航领域中得到了广泛的应用。微带天线的3 dB波束宽度是指在天线的最大辐射方向两侧，辐射功率下降3 dB的两个方向的夹角[3-4]，普通微带天线的3 dB波束宽度在70°～110°之间，波束较窄，低仰角增益(10°仰角)约为-3 dBic左右[5]。但随着卫星导航系统的发展，要求微带天线具有覆盖上半空间辐射方向图的宽波束特性，从而能够接收来自更多方向的卫星信号，以提高定位导航的精度。因此，需要在保证微带天线圆极化性能的同时，展宽天线波束，提高低仰角增益，以适应卫星导航系统的需求。国内外学者提出了多种展宽天线波束的方法，例如将正弦天线与微带介质天线结合[5-6]，利用旋转结构结合多点馈电技术[7-8]，延伸介质板的大小等[9-11]。将正弦天线与微带介质天线结合方法需要使用馈电巴伦，旋转结构方法所设计的天线结构较为复杂，延伸介质尺寸方法虽易于实现，圆极化性能不够理想。在保证展宽天线波束和低仰角增益的同时，提高圆极化性能是延伸介质方法的关键技术之一。

以卫星导航天线需求为背景，本文拟采用延伸介质板的边长展宽天线的波束的方法，并加入调谐枝节保证天线的圆极化性能，设计一种可工作在L频点1 616 MHz和S频点2 492 MHz的双层宽波束微带天线。其中L频点用作天线的接收，S频点用作天线的发射，并利用Ansoft HFSS仿真测试了该双层宽波束微带天线L频点和S频点的相关特性。

1 设计理论

一般微带天线的辐射贴片为矩形，设矩形辐射贴片长为a，宽为a′。对于使用相对介电常数为εr的介质基板，中心频率为fmn的微带天线，则有[12]

(1)

式中c为真空中的光速，m,n∈。矩形微带天线传输主模为TM010模，即m=0，n=1，fmn取值则为天线的中心频率。在采取双点馈电结构时，辐射贴片通常选取正方形，a=a′，即可理论上计算出辐射贴片的边长。

为展宽天线的波束以及提高低仰角增益，可通过增大矩形微带天线介质基板大小的方式，使微带天线的辐射一方面来自辐射贴片，沿垂直方向辐射；另一方面来自介质基板，沿水平方向辐射，组合成微带介质天线，其结构如图1所示。

图1 微带介质天线示意图

在图1中，设微带介质天线的介质板边长为d，介质延伸的长度为l，则其满足的关系为[6]

g=kl/λ0，

(2)

式中g为天线水平方向增强的辐射强度，λ0为天线的工作波长，比例系数取值约为k=7～8。则d的大小可为

d=a+2l。

(3)

依据式(2)和(3)，可以给出介质板边长及介质延伸的长度为理论估算值。

2 天线结构设计

考虑到设计的天线需要工作在两个频点，采用上、下双层结构方式，上层工作在S频点2 492 MHz，下层工作在L频点1 616 MHz，其结构如图3所示。两层天线用螺柱进行连接，两层介质板之间留有8mm间距供安装馈电网络。由于介质板的增大，需要在辐射贴片四角加上一小段调谐枝节，以保证在不影响天线圆极化性能的情况下，能方便对辐射贴片的大小进行调节。为使天线获得较高的增益，选取相对介电常数εr=9.6，厚度h=4 mm的介质基板，两层天线均采用双点同轴线方式馈电，激励两个幅度相等，相位相差90°的波以实现圆极化。

(a) 双层天线正面辐射贴片

(b)双层天线侧面

经Ansoft HFSS仿真优化后，计算可得天线几何结构参数如表1所示。

表1双层天线结构相关尺寸参数/mm

频点辐射贴片边长a接地板边长b/mm介质板边长d馈电点位置c调谐枝节长度l调谐枝节宽度wL:1 616 MHz2740158.45.13.61.8S:2 492 MHz17.424853.83.21.6

3 仿真测试

在得到优化设计的天线几何结构参数后，再利用Ansoft HFSS 13仿真软件对天线进行模型绘制和相关性能仿真。

绘制得到的三维模型如图3所示。图中上层为S频点用作天线的发射，下层为L频点用作天线的接收。

两层天线均具有两个馈电端口，1端口和2端口，L频点和S频点的两端口回波损耗仿真结果如图4所示。

图3 天线三维模型

图4 回波损耗仿真结果

由图4可见，L频点两端口回波损耗带宽(|S11|<-15 dB)均为22 MHz，S频点两端口回波损耗带宽(|S11|<-15 dB)均为39 MHz，说明天线获得了良好的匹配。

在取φ=0平面上，轴比仿真结果如图5所示。由此可见，L频点正前方轴比为0.29 dB，3 dB轴比波束宽度为87°。S频点正前方轴比为0.38 dB，3 dB轴比波束宽度为86°，表明圆极化性能良好。

图5 轴比仿真结果

为了与普通微带天线进行比较，选取相同介电常数和相同厚度的介质基板，分别设计工作在L频点和S频点的双点馈电圆极化微带天线并进行仿真，与宽波束微带天线进行参数对比。L频点宽波束微带天线与普通微带天线φ=0平面的方向图仿真结果如图6所示。

图6两种天线L频点方向图

从图6可以得到L频点宽波束天线与普通微带天线3 dB波束宽度，30°仰角增益、10°仰角增益等参数对比结果，如表2所示。

S频点宽波束微带天线与普通微带天线φ=0平面的方向图仿真结果如图7所示。

表2 两种天线L频点仿真结果对比

同样，从图7可以得到S频点宽波束天线与普通微带天线3 dB波束宽度、30°仰角增益、10°仰角增益等参数对比结果，如表3所示。

表3 两种天线S频点仿真结果对比

由表2和表3可已看出，设计仿真的宽波束天线在L频点波束宽度比普通微带天线宽64°，10°仰角增益高3.88 dBic，30°仰角增益高2.41dBic。S频点波束宽度比普通微带天线宽85°，10°仰角增益高2.91 dBic，30°仰角增益高0.77 dBic。

4 结束语

基于延伸介质尺寸的方法，采用两层双点同轴线馈电方式，设计了一种可工作在L频点或S频点的双层宽波束微带天线。仿真表明，所设计宽波束微带天线L频点的3 dB波束宽度为173°，10°仰角增益为0.61 dB。S频点的3 dB波束宽度为178°，10°仰角增益为0.44 dB。表明双层天线方向图在L和S频点均具有极好的半球覆盖能力，且圆极化性能良好。该双层宽波束微带天线，结构简单，易于实现，是卫星导航系统的宽波束天线设计的重要方法之一。