C波段小型化宽带双圆极化微带阵列天线设计

徐永佳， 杨存顺， 孙雨婷， 郭庆功

(1.四川大学电子信息学院， 成都 610065； 2.中国电子科技集团公司第三十研究所， 成都 610041)

1 引 言

微带天线具有剖面低、体积小、重量轻、易组阵及易共形等优点而被广泛采用.近年来，随着无人机、全球定位系统、卫星通信等无线通信系统应用需求的增长，宽带圆极化微带天线成为业界研究的热点之一.针对移动目标通信，进行收发隔离，采用双圆极化天线.馈电网络是实现宽带圆极化天线设计的关键和难点.早期大多采用缝隙耦合馈电[1-3]和微带功分顺序相差馈电[4-9]的多层天线结构设计，实现圆极化并拓展带宽.其中，文献[1]设计了一个工作在C波段的单圆极化微带阵列天线.采用十字开槽耦合馈电和三层结构设计，将阻抗带宽拓展为18.6%，3 dB轴比带宽为16.2%.2×2的天线阵列尺寸为1.4λ0×1.4λ0，λ0为中心频点对应的自由波长.文献[4]设计了一个带有调谐短截线的2×2的单圆极化微带天线阵列，采用威尔金森功分器级联馈电，阻抗带宽拓展为25%，轴比小于2 dB的带宽为19%，尺寸为1.4λ0×1.4λ0.文献[5]设计了一个工作在Ka波段的单圆极化微带天线，采用T型功分器级联馈电，将阻抗带宽拓展为24%，3 dB轴比带宽为20.6%，2×2天线阵列尺寸为1.74λ0×1.74λ0.但缝隙耦合馈电结构复杂，馈电网络只能排布在同一层介质板，而微带功分多采用直接与辐射单元相连的结构，故面对天线小型化设计要求，将宽带单圆极化天线拓展为双圆极化天线，其微带馈电网络的设计将面临巨大挑战.

为解决上述问题，大多采用左右旋两副馈电网络分层排布的结构[10-15].文献[10]设计了一个S波段的微带双圆极化阵列天线，采用左右旋馈电网络分层排布技术和三层结构，实现4×4的阵列天线尺寸为3λ0×3λ0，阻抗带宽为9%.文献[11]设计实现一个双频双圆极化的微带天线阵列，采用馈电网络分层排布技术，实现VSWR<1.5的左右旋两个带宽分别为16.4%和16.7%，左右旋3 dB轴比带宽为13.3%和7.4%，2×2的天线阵列尺寸为1.7λ0×1.7λ0.上述设计虽满足双圆极化设计要求，但天线带宽普遍较窄且尺寸偏大，无法满足许多实际工程需求.为进一步拓展双圆极化天线带宽，本文采用多层结构、支节匹配、T型功分器顺序馈电和左右旋馈电网络分层排布等技术，设计实现了一款3 dB轴比带宽达28.6%的小型化宽带双圆极化微带阵列天线.

2 设计理论分析

圆极化天线以其可以接收任意极化波，波也可以由任意极化天线接收；旋向正交性等优点，正在被广泛研究和应用.微带圆极化天线也一直是研究的热点.实现微带天线圆极化的基本方法有：单馈法、多馈法和多元法.单馈法由一个馈点馈电，形成极化正交幅度相等的两个简并模，90°相差由简并模分离单元引入.多馈法常见的形式为两馈点馈电，产生由TM01和TM10模形成的极化正交模，幅度相等，馈电电路引入90°相差.多元法主要由并联或串联的馈电网络将多个线元阵组成天线阵，线元相差90°.

展宽微带天线带宽的基本途径有两个：(1) 是降低等效谐振电路Q值，如式(1)所示；(2) 修改等效电路.其中，途径(1)比较常用.由于因辐射引起的Q值几乎与电厚度h/λ0成反比，因此增加基板厚度是扩展带宽的有效手段.叠层技术也是常见扩展带宽的方式，多采用中间填充空气层的结构，方便有效.

(1)

正方形贴片天线的经典公式，如式(2)和式(3)所示，fr为谐振频率；εr为等效介电常数，可以初步确定工作频段对应的天线贴片尺寸.天线结构有时会包含多层不同介电常数的介质基板，其等效介电常数εe可由式(4)给出，其中，i表示介质层的层数；hi为第i层介质层的高度；εri表示第i层介质层的介电常数.常采用在天线介质板中间加空气层来降低等效介电常数，达到扩展带宽的目的.

L=0.5λg-2ΔL

(2)

(3)

(4)

3 天线仿真设计

3.1 天线单元设计

天线单元如图1所示，采用三层介质基板结构，材料为FR-4，介电常数均为4.4.天线结构从上到下分别为：第一层介质基板、寄生贴片、空气层、辐射贴片和左旋馈电网络；第二层介质基板、接地板；第三层介质基板、右旋馈电网络.通过空气层高度和贴片尺寸可以调节天线阻抗特性.对贴片进行切角，提高微带天线圆极化性能.采用单支节匹配技术，展宽带宽.根据式(2)和式(3)确定寄生贴片L1和辐射贴片L2的尺寸，空气层高度H2一般约为中心频点对应自由波长的0.06倍.天线的主要参数如表1所示.

图1 天线单元

表1 天线主要参数(单位：mm)

3.2 天线阵设计

为进一步扩展天线的带宽，提高天线的增益，在单元设计好的基础上进行组阵.微带天线采用单馈点馈电，T型功分器并联组成一个2×2的天线阵列提供90°相差，并对天线进行切角，实现圆极化.天线阵列间距一般在0.6λ0～0.8λ0之间.当频带较宽时，需兼顾低频和高频，本文单元间距选取 0.76λ0.微带天线阵列尺寸为1.27λ0×1.27λ0×0.1λ0.天线阵列如图2所示.

(a) Microstrip antenna array (b) Feed network

图2 微带天线阵列及馈电网络

Fig.2 Microstrip antenna array and feed network

3.3 天线馈电网络设计

如图2所示，T型功分器并联形成2×2天线阵列的馈电网络，结构简单，馈电网络仅采用50 Ω和100 Ω的微带线.为实现双圆极化微带天线的小型化，将左右旋馈电功分网络分两层介质板排布.左旋圆极化的馈电网络排布在第二层介质板上方，顺时针相差分别为0°、90°、180°、270°，第一级T型功分器由50 Ω的微带传输线输入，采用100 Ω的阻抗变换段与第二级T型功分器相连; 第二级功分器均采用50 Ω的微带线宽，最后与辐射贴片连接.右旋圆极化的馈电网络排布在第三层介质板下方，其馈电网络的布局为左旋圆极化馈电网络布局的镜像，馈电网络与辐射贴片之间通过金属柱连接，相差分别为0°、-90°、-180°、-270°.如图3所示，在3.2～5 GHz频带内，仿真功分网络的S11<-10 dB，端口幅度都在-6 dB左右；端口相位差都在90°左右，满足设计要求.

图3 功分网络幅度与相差仿真图

Fig.3 The simulated amplitude and phase difference of feed network

天线的小型化通常会带来天线性能的恶化，且微带天线的圆极化带宽一般较小，提高其轴比带宽也会影响天线的驻波带宽和增益.因天线的实际应用场景，其周围和底部有金属反射板，从而增强天线的单向辐射特性，提高增益.考虑金属反射板会对天线性能造成影响，进行调节.底部反射板边长为LB，四周金属板高度为HB1，底部反射板与天线底部距离为HB2.综合各个性能取LB=156 mm，HB1=65 mm，HB2=37.5 mm.

4 阵列仿真与实验测试分析

根据天线阵列仿真制作了2×2双圆极化微带天线样机，天线实物如图4所示.阵列驻波仿真与测试结果如图5所示，轴比的仿真与测试结果如6所示，增益的仿真与测试结果如图7所示，阵列仿真和测试方向图如图8和图9所示.

图4 天线实物图Fig.4 Photo of antenna

图5 天线阵列驻波仿真与测试结果图Fig.5 The simulated and measured VSWR of array

图6 天线阵列轴比仿真与测试结果图Fig.6 The simulated and measured AR of array

图7 天线阵列增益仿真与测试结果图Fig.7 The simulated and measured gain of array

从上图可以看出，天线驻波测试结果与仿真结果吻合较好，VSWR在3.25～4.85 GHz频带内小于2，驻波带宽达到39.5%以上.在3.3～4.4 GHz频带内，天线仿真左右旋轴比均小于2 dB，在该频带内测试结果左旋和右旋轴比小于3 dB，轴比带宽达28.6%以上，测试结果略差于仿真结果，分析原因可能是因为天线测试过程中，接收天线未能对准发射天线及天线加工误差的影响.在3.4～4.3 GHz带宽内，仿真天线阵列左右旋增益均大于11 dB，增益最大值达到13.6 dB，在3.4～4.3 GHz内左旋测试增益大于10 dB，在3.4～4.2 GHz内右旋测试增益大于10 dB，增益最大值为11.8 dB，测试增益较仿真增益降低1 dB左右，可能因为天线馈电网络焊接及天线背腔加工误差.

5 结 论

采用多层结构与支节匹配技术，实现了一款C波段宽带双圆极化微带天线，保证低剖面的前提下最终实现了天线小型化设计，尺寸仅1.27λ0×1.27λ0×0.1λ0.天线的阻抗带宽达39.5%，左右旋3 dB轴比带宽均达28.6%以上，增益最大值为11.8 dB.更适用于无人机等对天线有低剖面、小尺寸严苛要求的应用场景.