一种宽带宽波束圆极化微带天线的设计

党乐 吴军军 李聪

摘要：本文设计了一种宽带宽波束圆极化微带天线，并对其进行了分析。利用双层辐射贴片来增加天线带宽，同时通过在天线周围增加金属墙来实现波束宽度的展宽。仿真结果表明天线在电压驻波比小于2时，带宽达到了700MHz（从3.56GHz～4.26GHz），同时波束宽度可以达到115°。最终利用具有90°相位差的功分器给天线馈电，使该天线具有良好的增益、带宽和轴比的特性。

关键词：宽带;宽波束;圆极化;微带天线

中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0186-03

0 引言

由于圆极化天线具有抗电离层极化旋转干扰的作用，被广泛应用于卫星通信系统。作为卫星通信的圆极化天线，必须具有宽波束的特点，而四臂螺旋天线[1]则是这方面的典范，3dB波束宽度能达到180°，然而不足之处则是这类天线在带宽内的增益不是很高。

微带天线由于具有小尺寸、重量轻、轮廓低、低成本以及容易共形等特点，已经被广泛应用于各个领域。传统微带天线的3dB波束宽度大约为70°～100°，不能满足卫星通信信号在低仰角的良好接收需求。有一些文献已经介绍了几种增加波束宽度的方法，例如，使用高介电常数的介质板[2];或者使天线工作在高阶模;或者使用微带介质天线等等，毫无疑问这些方法的确可以增加天线的波束宽度，但是会带来天线其它性能指标的缩减。

1 天线结构设计

本文重点研究了一种在天线周围增加金属墙的方法，使圆极化微带天线的波束宽度展宽，同时再利用双层圆贴片技术使天线的工作带宽展宽。

天线结构如图1所示，其中两个辐射贴片被放置在厚度为1.5mm，介电常数为3.5的介质板上。天线周围被金属墙包围，以利于展宽波束宽度。在天线的底部铺有相位差为90°的威尔金森功分器，用来实现天线的圆极化馈电。

天线中r1和r2是两个辐射贴片的半径，由以下公式（3）可以初步计算得出合理数值：

天线馈电点的位置和金属墙的高度的变化对天线性能的影响将通过仿真优化确定。图2和图3为天线在其他参数不变的情况下，反射系数和天线顶端轴比在馈电点不同位置时随频率变化的曲线图，这里假定h4=4mm。由图2和图3可得，随着馈电距离变大反射系数越来越小，但是轴比却越来高，所以综合考虑确定馈电点位置为kx=8mm。

金属墙的引入是为了增加天线的3dB波束宽度，图4和图5为天线在其他参数不变的情况下，反射系数和增益在金属墙不同高度时随频率和俯仰角度变化的曲线图，这里馈电点位置为kx=8mm。金属墙的高度为h1，h2，h3，h4之和，前三者的值已经确定，所以金属墙高度的变化体现在h4的变化，由图3可得，随着h4变大反射系数越来越大，但是波束宽度却越来宽，同时天线顶端增益也越来越小，所以综合考虑确定h4=3mm。

2 仿真结果

经过计算和仿真优化最終确定产品各个物理参数如表1所示。

图6是最终确定的天线的电压驻波比仿真结果，可以得出天线在3.56GHz～4.26GHz工作频段内电压驻波比小于2，与传统方法相比，3.91 GHz～4.15GHz带宽增加了190%。图7是最终确定的天线在中心频率f=4.0GHz时的增益方向图，天线3dB波束宽度改进后为115°，比改进前的83°增加了32°。

3 结语

本文通过双辐射贴片和天线周围增加金属墙的双重办法，使圆极化微带天线的带宽和3dB波束宽度得到大幅度提升。同时保留了微带天线结构简单，易加工的优点。天线周围增加金属墙对展宽天线的波束宽度，具有普遍性，可以引入其他天线中使用。

参考文献

[1] C.C.Kilgus.Resonant quadrafilar helix[J].IEEE Trans Antennas Propag，1969（17）：349-351.

[2] TOKO AMERICA INC.A miniature patch antenna for GPS application[J].Microwave journal，1997（9）：116-118.

[3] Zhang Jun， Liu Ke-cheng， Zhang Xian-yi ，et al.Microstrip antenna theory and engineering[M].Beijing：Publishing House of Electronic Industry，1988.