禹化龍，楊志剛，陳 光

(中國電子科技集團公司第27研究所，鄭州 450047)

0 引言

微帶天線以其低輪廓、可共形、易集成、造價低等優(yōu)點近年來得到廣泛應用。隨著衛(wèi)星通信技術的快速發(fā)展，對天線也提出了更高的要求。在衛(wèi)星接收機設計中小型化寬波束圓極化天線是對天線設計的基本要求。對于特殊場合的應用，由于安裝位置的限制，還要求用單饋電點小型化實現圓極化工作。如果用單饋電點實現雙頻圓極化，常見的實現方法有兩種:一種使用單塊貼片，其兩圓極化工作頻率比大約是 1.5 倍或更大一些[1，2];另一種使用雙層貼片，兩圓極化頻率比小于1.5倍。文獻[1～3]報道的雙層貼片天線都加工在同一介電常數的兩塊基片上，基片中間引入空氣層(采用泡沫材料來支撐上層)，這樣既增大了尺寸，又不便于加工。

介紹一種小型化寬波束雙層圓極化微帶天線的新設計，選取低介電常數的介質基片，在雙層圓形貼片上分別刻四個槽減小天線的尺寸，中心開十字縫增加天線的阻抗帶寬，在貼片邊切角和貼片的對角線上選擇合適的饋電位置實現圓極化，與采用同樣介質的普通微帶貼片天線相比工作在同頻率時的天線約有37%的尺寸減少，兩頻段中心頻比為1.05，天線方向圖對稱性很好，同時天線的3 dB波束寬度達80°以上，增益也達到5.3 dB以上，適合于衛(wèi)星接收機中使用。

1 天線設計原理

雙層微帶天線下層導體貼片為饋電元，上層導體貼片為寄生元，合理選擇天線參數，可形成兩個諧振電路，具有兩個諧振頻率。如果天線參數配置得當，兩個諧振頻率適當接近，結果形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路[4]。在天線的上、下層導體貼片上分別切角，刻等長的十字縫隙，饋電點位置選在十字縫隙的角平分線上。由于上、下層導體貼片的幾何開關關于饋電點對稱性，故可同時激勵等幅同相極化正交的簡并模，從而實現天線的圓極化設計。邊上刻的四個槽[5，6]和十字縫隙[7]，延長了上、下層導體貼片表面的電流路徑，降低了天線的諧振頻率，可以實現天線的小型化設計。

2 天線結構

雙層微帶天線的結構示意圖如圖1所示。該天線由工作在兩個頻段同旋向的圓極化微帶天線層疊，形成雙頻圓極化天線。相同形狀的頂層貼片和底層貼片同心放置于介質基板之上，高頻段天線貼片放在上層，低頻段天線貼片放在下層。采用雙層貼片，下層貼片加工在厚度為h2，、介電常數為εr2的材料上，上層貼片加工在厚度為h1、介電常數為εr1的材料上。設計中，上下層選用相同介電常數的微波介質基片，相對介電常數為 εr1=εr2，基片厚度為h1=h2，探針通過下層介質的鉆孔連接到下層貼片上，上層貼片是下層貼片的寄生單元，通過下層貼片電磁耦合進行饋電。由上下層貼片半徑尺寸和貼片邊上四個槽的尺寸控制諧振頻率，選擇圓形切角大小和切角處的槽的尺寸來實現圓極化輻射，中心的十字縫用以增加天線的阻抗帶寬。

雙層微帶天線的結構復雜，要得到精確的分析結果，必須用嚴格的全波分析方法進行分析。為了簡化設計，天線的初始尺寸利用腔模理論[3]的計算公式推出，最終的尺寸利用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS軟件進行仿真計算，優(yōu)化仿真得到。HFSS軟件通過合適的網格劃分可以得到準確的仿真結果。

天線的設計參數為:上、下層貼片天線半徑分別為R1和R2，切邊寬度分別為d1和d2，邊沿四個縫長分別為R1－L1和R2－L2，縫寬分別為W1和 W2，十字縫隙的長和寬分別 sw1、sw2、sL1、sL2，探針饋電點距下層貼片中心的距離為d。天線設計參數略。

圖1 天線的幾何結構圖

通過優(yōu)化參數，使天線的駐波、軸比、增益等指標滿足設計的要求。

3 天線仿真結果

由三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行仿真計算，仿真結果如圖2～8所示。由圖2的天線的輸入端口電壓駐波比曲線可以看出，在1.17～1.29 GHz頻帶范圍內，輸入端口電壓駐波比小于2，在1.19 GHz和1.28 GHz兩個頻點發(fā)生諧振。根據圖3可知，天線的3 dB軸比帶寬范圍為1.196 ～1.281 GHz。圖4 為天線在1.27 GHz，φ=0°和φ=90°時θ方向的軸比變化曲線。由圖4可知天線的3 dB軸比對應的俯仰角大于135°，天線有較寬的角度范圍內具有良好的圓極化性能。圖5為天線在1.27 GHz時RHCP及交叉極化的XZ、YZ面增益方向圖，天線增益方向圖具有很好的對稱性，交叉極化電平值在－20 dB以下，具有較低的交叉極化電平。圖6為天線的法線方向在1.16～1.3 GHz頻帶內RHCP增益及交叉極化曲線。在整個頻帶內天線增益大于5.3 dB，而交叉極化電平值在－10 dB以下。

4 實驗結果

根據前面仿真結果加工了一副單饋電點雙層微帶天線，并進行了測試。圖7和圖8分別為實測的天線輸入端口駐波和軸比曲線圖，與仿真結果比較吻合。天線在不同頻點的非歸一化方向圖如圖9所示。由圖9可知，天線具有較寬的波束寬度，3 dB波束寬度大于80°。

利用比較法，測得天線在不同頻點的增益。測試結果見表1。

表1 天線在不同頻點的增益

5 結語

本文對雙層微帶天線的寬頻帶圓極化原理進行了定性分析，通過Ansoft HFSS軟件仿真優(yōu)化出天線的幾何結構參數，并加工出一副天線進行部分指標測試，測試結果與仿真結果比較吻合。與采用同樣介質的普通微帶貼片天線[4]相比工作在同頻率時的天線約有37%的尺寸減少;兩諧振頻點頻比為1.05，實現兩頻點頻比通常大于1.2的突破;天線方向圖對稱性很好，天線的3 dB波束寬度達80°以上，增益達到5.3 dB以上。適用于在衛(wèi)星接收機中使用。

[1]BOCCIA L，AMENDOLA G.A High-Performance Dual Frequency Microstrip Antenna for Global Positional System[C]//IEEE AP-S Int Symp，Boston，MA，2001:66-69.

[2]SU C M，WONG K L.A Dual-band GPS Microstrip Anten-na[J].Microwave Opt Tech Lett，2002，33(4):238-240.

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[5]BIN G，CHEN M H，WONG K L.Single Feed Dual-Band Circularly Polarized Microstrip Antenna[J].Electron Letter，1998，34(12):117-119.

[6]WEN-SHYANG CHEN，CHUN-KUN WU，KIN-LU WONG.Novel Compact Circularly Polarized Square Microstrip Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49(3):340-342.

[7]WEN-SHYANG CHEN，CHUN-KUN WU，KIN-LU WONG.Compact Circularly Polarised Circular Microstrip Antenna with Cross-slot and Peripheral Cuts[J].Electronics Letters，1998，34(12):1040-1041.