黨樂(lè) 吳軍軍 李聰

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種寬帶寬波束圓極化微帶天線，并對(duì)其進(jìn)行了分析。利用雙層輻射貼片來(lái)增加天線帶寬，同時(shí)通過(guò)在天線周圍增加金屬墻來(lái)實(shí)現(xiàn)波束寬度的展寬。仿真結(jié)果表明天線在電壓駐波比小于2時(shí)，帶寬達(dá)到了700MHz（從3.56GHz～4.26GHz），同時(shí)波束寬度可以達(dá)到115°。最終利用具有90°相位差的功分器給天線饋電，使該天線具有良好的增益、帶寬和軸比的特性。

關(guān)鍵詞：寬帶;寬波束;圓極化;微帶天線

中圖分類號(hào)：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0186-03

0 引言

由于圓極化天線具有抗電離層極化旋轉(zhuǎn)干擾的作用，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。作為衛(wèi)星通信的圓極化天線，必須具有寬波束的特點(diǎn)，而四臂螺旋天線[1]則是這方面的典范，3dB波束寬度能達(dá)到180°，然而不足之處則是這類天線在帶寬內(nèi)的增益不是很高。

微帶天線由于具有小尺寸、重量輕、輪廓低、低成本以及容易共形等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)微帶天線的3dB波束寬度大約為70°～100°，不能滿足衛(wèi)星通信信號(hào)在低仰角的良好接收需求。有一些文獻(xiàn)已經(jīng)介紹了幾種增加波束寬度的方法，例如，使用高介電常數(shù)的介質(zhì)板[2];或者使天線工作在高階模;或者使用微帶介質(zhì)天線等等，毫無(wú)疑問(wèn)這些方法的確可以增加天線的波束寬度，但是會(huì)帶來(lái)天線其它性能指標(biāo)的縮減。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)研究了一種在天線周圍增加金屬墻的方法，使圓極化微帶天線的波束寬度展寬，同時(shí)再利用雙層圓貼片技術(shù)使天線的工作帶寬展寬。

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中兩個(gè)輻射貼片被放置在厚度為1.5mm，介電常數(shù)為3.5的介質(zhì)板上。天線周圍被金屬墻包圍，以利于展寬波束寬度。在天線的底部鋪有相位差為90°的威爾金森功分器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的圓極化饋電。

天線中r1和r2是兩個(gè)輻射貼片的半徑，由以下公式（3）可以初步計(jì)算得出合理數(shù)值：

天線饋電點(diǎn)的位置和金屬墻的高度的變化對(duì)天線性能的影響將通過(guò)仿真優(yōu)化確定。圖2和圖3為天線在其他參數(shù)不變的情況下，反射系數(shù)和天線頂端軸比在饋電點(diǎn)不同位置時(shí)隨頻率變化的曲線圖，這里假定h4=4mm。由圖2和圖3可得，隨著饋電距離變大反射系數(shù)越來(lái)越小，但是軸比卻越來(lái)高，所以綜合考慮確定饋電點(diǎn)位置為kx=8mm。

金屬墻的引入是為了增加天線的3dB波束寬度，圖4和圖5為天線在其他參數(shù)不變的情況下，反射系數(shù)和增益在金屬墻不同高度時(shí)隨頻率和俯仰角度變化的曲線圖，這里饋電點(diǎn)位置為kx=8mm。金屬墻的高度為h1，h2，h3，h4之和，前三者的值已經(jīng)確定，所以金屬墻高度的變化體現(xiàn)在h4的變化，由圖3可得，隨著h4變大反射系數(shù)越來(lái)越大，但是波束寬度卻越來(lái)寬，同時(shí)天線頂端增益也越來(lái)越小，所以綜合考慮確定h4=3mm。

2 仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真優(yōu)化最終確定產(chǎn)品各個(gè)物理參數(shù)如表1所示。

圖6是最終確定的天線的電壓駐波比仿真結(jié)果，可以得出天線在3.56GHz～4.26GHz工作頻段內(nèi)電壓駐波比小于2，與傳統(tǒng)方法相比，3.91 GHz～4.15GHz帶寬增加了190%。圖7是最終確定的天線在中心頻率f=4.0GHz時(shí)的增益方向圖，天線3dB波束寬度改進(jìn)后為115°，比改進(jìn)前的83°增加了32°。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)雙輻射貼片和天線周圍增加金屬墻的雙重辦法，使圓極化微帶天線的帶寬和3dB波束寬度得到大幅度提升。同時(shí)保留了微帶天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工的優(yōu)點(diǎn)。天線周圍增加金屬墻對(duì)展寬天線的波束寬度，具有普遍性，可以引入其他天線中使用。

參考文獻(xiàn)

[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.