一种低剖面宽频带微带天线设计

张 宙，李安平，刘松涛

(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.西安电子科技大学，陕西 西安 710071；3.国家无线电监测中心，北京 100037)

0 引言

针对卫星通信S频段相控阵天线的低剖面和收/发宽频带工作需求，同时满足相控阵天线对天线单元结构简单、高效率的一般要求，微带天线是一种常见的组阵单元形式。它具有重量轻、体积小、剖面低、制造容易、成本低等优点[1]。

微带天线实现宽频带工作的常用做法是使用层叠结构[2-5]，采用上下两层辐射单元分别对应两个不同的谐振频率，通过调节两层贴片的尺寸和间距使两个谐振频率相互接近，从而形成通带相连的双峰谐振，有效拓展微带天线的工作带宽。此外还有采用缝隙耦合馈电展宽带宽[6]、采用渐变形状贴片展宽带宽[7]等方式。天线圆极化的常用实现方法是采用单馈点馈电和微扰电流的方式，分离得到两个幅度相等但相位正交的激励。这种单馈点天线的缺点是对加工误差敏感，且轴比带宽较窄，一般不超过3%(AR<3dB)[8-9]。使用多馈点馈电[10-11]是实现圆极化的另一种常用做法，与单馈点相比，它需要额外的馈电网络为馈电点提供等幅且相位不同(与馈点位置有关)的激励电流，天线结构随着馈点数增多，复杂度急剧增加，加工难度也会增加，但是轴比带宽随之变宽。

设计了一种采用双馈点馈电的层叠结构微带贴片宽频带天线，利用正交馈电网络提供圆极化所要求的幅度和相位激励。利用主馈电贴片、耦合贴片和多层介质压合的设计，实现宽频带工作，该天线在19%的带宽内驻波比优于1.35，轴比小于3.2dB，且剖面仅为0.028λ0，具有低剖面特点(文献[4]提出的宽带低剖面天线的剖面为0.075λ0，文献[12]提出的宽带低剖面天线的剖面为0.042λ0)。此天线采用多层板一体化加工方法，结构简单，工艺稳定，便于加工制造和大批量生产，目前已成功应用于卫通相控阵天线系统。

1 微带天线的设计

1.1 理论设计

天线结构为双层贴片结构，其中上层贴片为馈电贴片，下层贴片为耦合贴片。天线结构见图1所示，正交馈电网络通过金属化通孔给馈电贴片馈电，馈电贴片通过电磁耦合给耦合贴片馈电。

双层微带天线的等效电路如图2所示，包含两个谐振电路，具有两个谐振频率，形成双峰谐振，当两个谐振频率相互接近时，便可有效展宽天线带宽。

图1 微带天线结构示意图

图2 双层微带天线等效耦合电路

其中，G1为馈电贴片的电导，L1为馈电贴片的电感，C1为馈电贴片的电容；G2为耦合贴片的电导，L2为耦合贴片的电感，C2为耦合贴片的电容；Cg为馈电贴片与耦合贴片之间的互耦电容。

微带天线通常工作于TM01和TM10简并模谐振频率附近，而远离其他谐振点，于是根据图2的等效电路，其数学模型可表示为：

1.2 天线模型

天线单元由上、下两层贴片和正交馈电网络等组成，天线单元主体尺寸为65mm×65mm×3.85mm，厚度仅为0.028λ0，具有低剖面特性，天线单元模型如图3和图4所示。

图3 天线单元模型正面视图

图4 天线单元模型背面视图

上层贴片和下层贴片均采用正方形铜片，下层贴片稍大。上下两层贴片分别附着在上下基板，上层基板的介电常数为2.55，下层基板的介电常数为2.2，厚度均为1.524mm。通过上下两层不同尺寸贴片形成双峰谐振，能够实现宽频工作。馈电网络采用带状线形式，便于和微带天线一体化加工，馈电网络层和天线辐射层之间有金属地，增加两者之间的隔离度。馈电网络通过两个金属化通孔给天线辐射层馈电，馈电激励幅度相同，相位正交，实现良好圆极化。馈电网络采用板内埋阻方式实现分口良好的隔离特性。正对网络合口上部，天线辐射层打盲槽，便于天线单元馈电探针的焊接。整个天线单元采用多层板压合，工艺稳定，适合大规模批量化生产。天线单元分层如图 5所示。

图5 天线单元分层示意图

1.3 仿真结果

考虑组阵效果，对天线单元在周期边界条件下进行仿真，结果如图 6～图 9所示。其驻波比在S频段的1.9-2.3GHz频带内小于1.35，天线单元在接收和发射频段的3dB波束宽度均大于90°，可实现增益均在3dB以上，整个通带内轴比小于3.2dB。

图6 天线单元端口驻波

图7 天线单元发射频段增益

图8 天线单元接收频段增益

图9 天线单元频带内轴比

2 组阵性能

图10 阵列仿真模型

利用此单元设计了一个用于卫星通信的天线阵列，阵列规模为4×4，采用矩形布阵，按照阵列扫描±60°能力设置组阵间距，为了改善相控阵大角度扫描时的轴比，采用旋转馈电布置，阵列排布如图 10所示。

为了验证本文的设计，加工了天线系统样机，集成了T/R组件、馈电网络、波束控制和散热等部分。在微波暗室中对相控阵天线进行了测试，图 11和图 12给出了相控阵天线两个切面方向的仿真和实测扫描方向图对比。

图11 方位面实测扫描方向图

图12 俯仰面实测扫描方向图

可以看到实测与仿真的扫描方向图波束指向基本一致。由于阵列较小，扫描60°时波束实际指向在48°左右，实测与仿真相符；实测与仿真法向辐射方向图吻合良好，扫描方向图主瓣较为吻合，旁瓣曲线有所差别。考虑到相控阵天线的测试环境、加工误差、校准误差等多种因素影响，实测结果与仿真结果基本相符，验证了天线设计的正确性。

3 结束语

提出了一种基于叠层结构和双馈点技术的低剖面宽频带微带天线，该天线在19%的带宽内驻波比优于1.35，轴比小于3.2dB，剖面仅为0.028λ0。天线阵列采用多层板一体化加工工艺，将其应用于卫星通信相控阵天线中，验证了天线单元设计方法的正确性。该天线结构简单、加工方便、工艺成熟可靠，可广泛应用于各类平台的相控阵天线。