趙紅梅，牛艷娟，王云飛

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 鄭州450002；2.聯(lián)通系統(tǒng)集成有限公司河南分公司 鄭州450002）

1 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航、定位及通信系統(tǒng)的發(fā)展，對天線的覆蓋范圍提出了越來越高的要求，為了快速捕捉到微弱的衛(wèi)星信號，一般要求天線具有很寬的波瓣寬度并能保持一定的低仰角增益。對于星載天線，在某些應(yīng)用中要求天線單元的波束覆蓋達到120°，甚至更高，特別是我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由于衛(wèi)星較少，這個特性就顯得尤為重要。

微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕、便于獲得圓極化且易制成與衛(wèi)星等載體表面相共形的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，在許多實際應(yīng)用中經(jīng)常被采用。因此，開展寬波束圓極化微帶天線的研究具有較大的理論和應(yīng)用價值。

許多文獻記載過多種展寬微帶天線波束的方法，如采用高介電常數(shù)介質(zhì)、調(diào)整接地板尺寸大小、微帶高次模天線[1]、微帶介質(zhì)天線[2]、采用好的天線形式、三維接地結(jié)構(gòu)[3，4]等。其中，對三維接地板結(jié)構(gòu)展寬波束的方法研究較少，這種方法是將常規(guī)的微帶天線放置在三維接地板結(jié)構(gòu)上，可以通過接地板的反射作用，在減小天線前后比的同時，很好地展寬波束。如參考文獻[3]，將普通的圓極化正方形切角微帶天線安裝在角錐喇叭結(jié)構(gòu)上，同時微帶天線上方四周的一部分被折疊的反射板圍住，雖然波束可達到約 130°，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增益較低，這時的增益只有－0.6 dB。在參考文獻[4]中，將常規(guī)的圓極化微帶天線放置在三維接地板結(jié)構(gòu)上，它的波束寬度可達到113°左右，但該天線高度大于0.45 λ，并且由于接地板結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，不易實現(xiàn)。在此，本文提出了一種應(yīng)用三維接地板展寬波束的圓極化微帶天線，它結(jié)構(gòu)簡單，波束寬度可達到120°以上，而且在波束范圍內(nèi)具有很好的圓極化特性。

2 天線結(jié)構(gòu)特性分析

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，該設(shè)計采用接地板開槽的微帶天線（如圖 1（a）所示），安置于角錐喇叭結(jié)構(gòu)上（如圖 1（b）所示），同時，采用50 Ω同軸饋電。

如圖1（a）所示，上方為接地板開槽的微帶天線[5]。正方形貼片置于厚度為1.6 mm、介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基片上，介質(zhì)基片大小為75 mm×75 mm，接地板大小為60 mm×60 mm。天線貼片的初始尺寸可利用腔模理論[6，7]的經(jīng)驗公式來初步確定，如下：

其中，c為光速，即 3×108m/s，f0為諧振頻率，εe為介質(zhì)基片等效介電常數(shù)，Δl為邊緣效應(yīng)引起的延伸長度。

根據(jù)上述公式，由選定的諧振頻率、介質(zhì)基片的厚度和介電常數(shù)，可以得到貼片的初始尺寸，然后可由三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行參數(shù)掃描、優(yōu)化對天線尺寸進一步調(diào)整，以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.1 圓極化特性

實現(xiàn)微帶天線的圓極化主要有單點饋電和多點饋電兩種方式。相比多點饋電方式，單饋點圓極化微帶天線由于其無需外加相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器、結(jié)構(gòu)緊湊、適合小型化，因此得到了廣泛關(guān)注。

該天線采用單饋法和幾何擾動來實現(xiàn)圓極化，即在接地板上引入微擾Δs來實現(xiàn)圓極化輻射所需要的條件，即：

其中，Δs也被稱為簡并模分離元，其影響可以用變分法來分析。該天線在接地板上沿x軸、y軸正交方向分別開出不等長的兩對矩形槽，并沿貼片對角線饋電，即在貼片下的空腔區(qū)域形成一對輻射正交的模，當(dāng)兩者輻射長之比為±j時，滿足圓極化工作條件，形成圓極化輻射[8]；同時，調(diào)整饋電點的位置以滿足右旋圓極化要求，通過計算機和軟件優(yōu)化，可以在微帶貼片對角線上找到合適的饋電點（－9，9），可以很方便地調(diào)整天線的輸入阻抗，使之與 50 Ω同軸線實現(xiàn)阻抗匹配，進而獲得右旋圓極化。

同時，接地板上開槽可以引導(dǎo)貼片中的電流發(fā)生彎曲，從而增大電流路徑的有效長度，降低天線的諧振頻率，進而達到小型化的目的[9]。隨著開槽長度的增加，天線的諧振頻率減低，天線尺寸減小，但是，天線尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，因此開槽的長度需要在小型化與性能之間折衷考慮。

2.2 方向圖特性

角錐喇叭結(jié)構(gòu)上下口徑均為正方形，下口徑邊長為150 mm，上口徑邊長為 70 mm，高為 35 mm（約 0.18 λ），角錐喇叭的厚度為0.1 mm。由于角錐喇叭結(jié)構(gòu)的反射作用，可以減小微帶天線的前后比，展寬天線波束寬度。角錐喇叭的高度對天線的方向圖有較大的影響，角錐喇叭高度為5、15、25、35 mm時反射系數(shù)、波束寬度及增益的變化情況見表1、圖2。可以看到，隨著高度的增大，反射系數(shù)逐漸減小，波束寬度明顯展寬，這對接收低仰角衛(wèi)星信號等應(yīng)用很有意義；同時，由于波束的展寬，增益隨高度增加而減小。由此可見，天線要形成寬波束，角錐喇叭高度取值也要在寬波束與天線性能之間折衷考慮。同樣，角錐喇叭下口徑大?。蠢瓤趶埥牵┮灿绊懙教炀€波束寬度的大小，隨張角增大，波束寬度也有一定的展寬。

表1 角錐喇叭的高度對天線參數(shù)的影響

此外，為了便于天線整體的拼裝，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整了介質(zhì)基片的大小，從70 mm調(diào)整為75 mm，這樣可以更好地用膠槍在外側(cè)交接處對天線的上下部分進行粘接，使整體更穩(wěn)定。此時，由于介質(zhì)基片的展寬，增益下降了0.2 dB，波束寬度展寬了2°，其他指標(biāo)均無明顯變化。

3 仿真及測試結(jié)果數(shù)值分析

3.1 仿真結(jié)果數(shù)值分析

該天線使用以有限元法為基礎(chǔ)的三維電磁仿真軟件ansoft HFSS進行仿真，通過仿真分析及優(yōu)化，設(shè)計了工作于1.575 GHz的右旋圓極化寬波束微帶天線。

天線在要求頻率處的駐波比VSWR≤1.10（即S11＜－26 dB），如圖3所示。在主輻射方向上，天線軸比為0.43 dB（小于 3 dB），覆蓋空域達 140°，如圖 4（a）所示；同時，天線的軸比帶寬如圖4（b）所示，且軸比小于等于3 dB的圓極化帶寬達17 MHz。天線E面、H面的方向圖如圖5所示，該天線增益可達0.43 dB，E面和H面的3 dB波束寬度分別為 123°（－63°～60°）和 136°（－70°～66°），在整個波瓣范圍內(nèi)，增益變化不大，而且在波束范圍內(nèi)都有很好的圓極化特性（軸比小于3 dB）。該天線E面和H面波束寬度比接地板開槽的微帶天線（無角錐喇叭結(jié)構(gòu)）分別展寬28°（29.5%）和 41°（43.2%），天線的前后比變得很小，軸比帶寬寬出3 dB，但是由于波束寬度的展寬，使得增益有所下降，見表2。

3.2 測試結(jié)果

使用德國RS矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該天線的駐波比、回波損耗及阻抗進行測試。駐波比實測結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖6所示，實測結(jié)果基本滿足性能指標(biāo)要求，也驗證了該天線的可行性。實測VSWR整體比仿真結(jié)果高0.18～0.3，主要受由 SMA接頭引起的插入損耗及角錐喇叭的加工精度影響。該天線實物如圖7所示。

表2 波束展寬前后天線參數(shù)性能比較

4 結(jié)束語

本文提出了一種以簡單方式展寬微帶天線波束的新方法，仿真和測試結(jié)果表明，該天線的波束寬度、軸比帶寬都能滿足寬波束圓極化GPS天線的性能要求，該天線具有合理性和可行性。此外，與其他三維接地板結(jié)構(gòu)天線相比，該天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點。文中所提出的展寬波束的方法還可推廣應(yīng)用于其他頻段天線的寬波束設(shè)計中。

1 Wuang T K，Huang J.Low-cost antennas for direct broadcast satellite radio.Microwave and OpticalTechnology Letters，1994，7（10）

2 何海丹.新型寬波束圓極化天線——微帶介質(zhì)天線.電訊技術(shù)，2003，（1）：48～51

3 Su C W，Huang S K，Lee C H.CP microstrip antenna with wide beam width for GPS band application.Electronics Letters，2007，43（20）

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5 Chow Yen Desmond Sim，Tuan Yung Han.GPS antenna with slotted ground plane.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（3）

6 郭永新，方大綱，是湘全.一種用于電子戰(zhàn)誘餌的寬帶寬角迭層微帶天線.南京理工大學(xué)學(xué)報，1998，22（1）：39～42

7 Jun Ouyang，F(xiàn)eng Yang，Shiwen Yang，et al.A novel e-shape radiation pattern reconfigurable microstrip antenna for broadband，wide-beam，high-gain applications.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（8）

8 Chiou T W，Wong K L.Designs ofcompactmicrostrip antennas with a slotted gound plane. In:Antennas and Propagation Society International Symposium，2001

9 Huang J.The finite ground plane effect on the microstrip antenna radiation patterns.Antenna Propagat，1983，31（7）：649～653

10 鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991