一种高效率背腔微带振子阵列天线设计

牛传峰,张晓冲,李增科

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中华通信系统有限责任公司 河北分公司，河北 石家庄 050081)

0 引言

当前卫星通信技术和无线通信系统发展迅速，电磁环境日益复杂，有时需要在恶劣环境下对高速目标实施跟踪和通信，线极化天线无法有效减少多径效应，会严重影响整个系统的性能，而圆极化天线具有极化旋转性，可以可靠而稳定地工作。目前，对于如何让天线保持圆极化高增益辐射的同时，还具有宽频带、高隔离度和小型化等特点[1-3]，很多学者在这方面开展了研究工作[4-6]。大多数圆极化阵列天线以微带贴片天线为主，对于形成圆极化的结构形式来说，有的是在辐射贴片上切角[7]，有的是通过开槽[8]、开缝[9]和加枝节[10]等方式来实现圆极化。微带阵列天线的特点是低轮廓、小型化、低成本、易集成和方便共形等，但它有自身的一些缺点，比如极化隔离低、损耗大和辐射效率低。端口隔离度是极化分集通信系统中的一项很重要的指标，较差的端口隔离度将会严重影响通信质量。

针对目前测控领域和卫星通信对圆极化天线的增益、带宽和端口隔离度等要求，介绍了一种高效率宽频带圆极化印刷板微带振子阵列天线，工作于L/S频段，天线阵由5个切边矩形微带贴片振子辐射单元组成，采用交叉正交激励改善天线的交叉极化隔离度，采用阵列加背腔的方式提高辐射效率。

1 天线结构设计

1.1 单元结构设计

天线外形结构如图1所示。

(a)天线单元结构

(b)天线5单元组阵结构

(c)天线5单元组阵三维图图1 外形结构Fig.1 Shape structure

辐射单元由4个矩形贴边印刷板微带振子组成，利用正交双线极化激励实现对辐射单元的馈电，探针可采用印制板敷铜结构实现。5单元组成的天线阵利用功分网络实现5个单元的能量合成和外围4个单元组成差路信号，用于跟踪目标。背腔结构保证了天线的定向辐射，探针正交放置，实现正交双线极化激励，匹配盘和微带阵子之间留有间隙，调整匹配盘半径和间隙大小可改善天线的驻波比，实现调谐。如图1(a)所示，辐射单元的尺寸为L1=34.91 mm，L2=20 mm，L3=17.38 mm，介质板与圆柱底座支撑处的小圆贴片半径R1=4 mm，辐射单元的宽度W=77.58 mm，辐射单元距离背腔底面的距离H2=15.47 mm，匹配盘的半径R2=15.47 mm，距离辐射单元的高度H1=3 mm。天线阵结构中，每个辐射单元距中心辐射单元的间距为D=106.25 mm，选择合适的单元间距可获得较高的组阵效率。5单元天线阵呈十字交叉形式排列布阵，减小整体尺寸的前提下，在天线阵的下方增加一个半径尽可能小的背腔，以此来减小边缘绕射，提高天线的辐射效率。

采用连续相位旋转法使得周围4个阵元馈电相位依次相差90°，可以相互抵消高次模，降低阵元间的相互耦合，增强主极化分量，降低交叉极化分量，从而更好地改善天线轴比，实现圆极化辐射。背腔的半径R3=230 mm，背腔外围高度H3=37.98 mm。

天线的具体结构参数如表1所示。其中L1为阵子片的宽度，L2为阵子片未切边长度，L3为阵子片切角斜线长度，W为整体辐射单元的宽度，R1为介质板与圆柱底座支撑处的小圆贴片半径，R2为匹配盘的的半径，R3为背腔的半径，D为每个辐射单元距中心辐射单元的间距，H1为匹配盘的距离辐射单元的高度，H2为辐射单元距离背腔底面的距离，H3为背腔外围高度。

表1 天线结构参数 mm

1.2 仿真分析

天线的工作频段为1.3～2.4 GHz，利用3D电磁场仿真软件Ansoft HFSS 18进行全波分析和仿真优化设计。由于此阵列天线要充当反射面天线的馈源，因此在馈源舱半径为250 mm的前提下，进行了各结构参数的优化调整，最终得到很好的结果。天线阵驻波比(VSWR)仿真结果如图2所示。

图2 VSWR仿真结果Fig.2 Simulation results of VSWR of antenna array

由图2可以看出，在频带范围内VSWR不大于1.541，绝对带宽达到1.1 GHz，相对带宽达到59.5%，具有很好的阻抗带宽。

天线轴比仿真结果图3所示。

图3 天线轴比仿真结果Fig.3 Simulation results of antenna axial ratio

由图3可以看出，中心频率轴比为0.177 9 dB，在59.5%的频率带宽内，左右圆极化的轴比均在2 dB以下，表征了天线具有很好的极化效率和极化纯度。

在频带内，选取了高(2.4 GHz)、中(1.85 GHz)、低(1.3 GHz)三个频点，计算出天线的和方向图与差方向图以及频带内的增益曲线。频带内频点和方向图如图4所示。

在工作频带内，该天线于Phi=0° ，Phi=90°两个平面产生的方向图均对称，且产生稳定的圆极化辐射。

(a)1.3 GHz和方向图

(b)1.85 GHz和方向图

(c)2.4 GHz和方向图图4 频带内频点和方向图Fig.4 Frequency point and pattern in frequency band

频带内频点差方向图如图5所示。反映出该天线于Phi=0° ，Phi=90°两个平面产生的差方向图均对称，且差波束零深均在-30 dB以下。

(a)1.3 GHz差方向图

(b)1.85 GHz差方向图

(c)2.4 GHz差方向图图5 频带内频点差方向图Fig.5 Frequency difference pattern in frequency band

2 圆极化特性分析

双极化电平和端口隔离度是圆极化天线的一项重要指标。实际工程中，由于阵列间辐射单元会产生相互耦合，如何有效减小耦合，降低端口隔离度是关系一个圆极化天线是否可用的一项重要参考条件。

端口隔离度如图6所示。通过调节阵元之间的间距和背腔半径来减少阵元之间的耦合，通过上下十字交叉馈线激励来减小馈线寄生效应，从而改善交叉极化端口隔离度。

图6 端口隔离度Fig.6 Port isolation

由图6可以看出，1.3 GHz时交叉极化电平为-38.9 dB；1.85 GHz时电平为-43.3 dB；2.4 GHz时电平为-34.7 dB。两极化端口隔离度小于-38 dB，远远满足工程-25 dB的指标要求。

3 增益和效率分析

由于研制需求，将其直径设为4.5 m，焦径比为0.42的反射面天线的馈源使用，并用GRASP10.0进行整体天线的仿真，得到天线增益曲线。天线增益随频率变化曲线如图7所示。

图7 天线增益随频率变化曲线Fig.7 Antenna gain versus frequency

由图7可以看出，在频带内，各频点增益均大于33 dB，进而得到1.3 GHz时效率为54%，1.4 GHz时效率为66%，其余频点达到70%以上，保证了天线在较宽的频带内具有较高的效率。

4 结束语

设计了一种工作于L/S波段宽带高效率双圆极化背腔印刷板微带振子阵列天线，具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，仿真结果表明，该天线在工作频带内，绝对带宽达到1.1 GHz，相对带宽达到59.5%，交叉极化电平小于-34 dB，端口隔离度小于-38 dB。此外，天线具有良好的圆极化特性和较高辐射效率。此天线作为反射面天线的馈源，在测控领域和卫星通信系统中均具有良好的工程应用前景。