玄曉波， 孫志偉， 劉軼萍， 周小林

（1．上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090；2．上海市航空航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438）

0 引言

在導(dǎo)彈制導(dǎo)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)使用到比相測(cè)角系統(tǒng)。為了確定目標(biāo)的位置，利用多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的天線組陣工作。天線按照一定的位置進(jìn)行排列，由于目標(biāo)所發(fā)射電磁波到達(dá)天線陣的距離不同，因此會(huì)在天線陣的各個(gè)單元激勵(lì)不同相位的信號(hào)。通過(guò)測(cè)量陣列中各天線的相位信息，從而可以確定目標(biāo)的角度。

本文所設(shè)計(jì)的天線即用于此類比相測(cè)角系統(tǒng)中的接收天線。為了減少極化損失，保證天線的接收電平，采用圓極化接收天線。由于受到天線外形尺寸的限制，本設(shè)計(jì)使用微帶天線形式。微帶天線是在1953年由美國(guó)科學(xué)家德尚（G．A．Deshcamps）教授提出的，由于其具有體積小、重量輕、低剖面及便于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］，在如今天線設(shè)計(jì)和研究中被大量應(yīng)用。

微帶圓極化天線按照饋電方式，一般分為單饋點(diǎn)圓極化天線和雙饋點(diǎn)圓極化天線。單饋點(diǎn)圓極化天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用兩個(gè)簡(jiǎn)并模正交等幅工作，也就是說(shuō)這兩個(gè)模式同時(shí)也具有90°相位差［2］。這樣的場(chǎng)分布恰恰可以滿足圓極化輻射的性能，但這類天線的工作原理決定其帶寬不會(huì)較寬，很難得到超過(guò)3%的圓極化帶寬。為了滿足設(shè)計(jì)要求，本文使用雙饋的方式。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)具有90°移相器的帶狀線Wilkinson功分器，構(gòu)建起圓極化的輻射條件，進(jìn)而達(dá)到寬頻帶圓極化的性能［3］。

1 圓極化天線設(shè)計(jì)

整個(gè)陣列由四個(gè)相同的天線組成，天線的排列及放置，如圖1所示。天線成正方形放置，1與2，3與4分別測(cè)試方位和俯仰兩個(gè)方向，天線間的距離需要準(zhǔn)確測(cè)量，初始設(shè)定為半個(gè)波長(zhǎng)，可沿著滑動(dòng)軸（圖1中黑色箭頭）滑動(dòng)，從而可以靈活調(diào)整天線陣的陣元間距。

天線的整體結(jié)構(gòu)由三部分組成：雙饋點(diǎn)矩形微帶貼片，連接同軸線及帶有90°移相器的帶狀線Wilkinson功分器。利用移相功分饋電網(wǎng)絡(luò)為微帶貼片提供正交、等幅且具有90°相位差的兩個(gè)電場(chǎng)分量。Wilkinson功分器的使用，可以有效擴(kuò)寬天線的匹配帶寬，而帶狀線移相器也能夠滿足一定的帶寬要求，因此最終得到的綜合帶寬可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 天線安裝位置及彈體坐標(biāo)系示意圖

饋電網(wǎng)絡(luò)與天線通過(guò)共軸傳輸線連接。天線主要工作空域：方位±60°、俯仰±60°內(nèi)。天線單元的高度為25 mm，平面最大尺寸為50 mm×50 mm，天線單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線單元結(jié)構(gòu)框圖

1．1 無(wú)饋電網(wǎng)絡(luò)的圓極化天線設(shè)計(jì)與仿真

天線單元主體結(jié)構(gòu)由以輻射貼片、介質(zhì)基板，饋電同軸線三部分組成，如圖3所示。

使用的介質(zhì)基板為T(mén)aconic RF－35（介電常數(shù)為3．5），基板厚度為6．36mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，試驗(yàn)了多種厚度的介質(zhì)板，但帶寬都比較窄。如果此處的帶寬不能滿足要求，當(dāng)加入功分器之后，雖然匹配帶寬可以滿足要求，但都是由于隔離電阻吸收的原因，因此其增益帶寬依然較窄。

圖3 天線單元外形結(jié)構(gòu)

利用HFSS數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)該天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到了天線的相關(guān)尺寸，如表1所示（單位：mm）。

表1 無(wú)饋電網(wǎng)絡(luò)天線尺寸

對(duì)兩個(gè)饋點(diǎn)強(qiáng)制饋入等幅、具有90°相位差的信號(hào)，使得天線圓極化工作。天線的模型圖及仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 無(wú)饋電網(wǎng)絡(luò)的圓極化天線模型及結(jié)果圖

1．2 具有饋電網(wǎng)絡(luò)的圓極化天線設(shè)計(jì)

通過(guò)以上對(duì)于雙饋點(diǎn)圓極化天線設(shè)計(jì)的嘗試，進(jìn)而設(shè)計(jì)了具有功分結(jié)構(gòu)的天線單元。Wilkinson功分器使用帶狀線的形式，介質(zhì)基板使用Taconic TLY－5－0400－C1／C1－H－18X24（介 電 常 數(shù)為2．2），單層厚度為1mm。接口使用華達(dá)SMA－KFD73，通過(guò)焊接與饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接。利用HFSS數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)帶有饋電網(wǎng)絡(luò)的天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到了較為良好的仿真結(jié)果。天線的仿真模型圖及仿真結(jié)果如圖5所示。

由于引入并聯(lián)的隔離電阻，天線的匹配帶寬較寬，VSWR＜2的帶寬為40%。需要討論的是，天線雖然帶寬較寬，但在一些頻率時(shí)，天線的反射已經(jīng)較大，只不過(guò)能量被電阻所吸收，導(dǎo)致天線效率會(huì)降低。天線的軸比AR＜3的帶寬為21%。天線的增益性能良好，在俯仰及方位角為±60°內(nèi)，天線增益大于－1 dB的頻帶覆蓋13%。天線方向圖正常，在帶內(nèi)方向圖平滑，沒(méi)有出現(xiàn)凹陷等不

正常情況。最后，觀察了天線的交叉極化性能，天線為右旋極化工作模式，天線的交叉極化良好。

圖5 具有饋電網(wǎng)絡(luò)的圓極化天線模型及結(jié)果圖

2 陣列互耦仿真

出于研究需要，對(duì)天線間的互耦情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。選用兩個(gè)相同的天線單元，天線陣元間距為中心頻率半波長(zhǎng)，利用HFSS仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了建模，通過(guò)觀察兩端口的S21或S12來(lái)確定天線間的互耦情況。天線的模型圖及仿真結(jié)果，如圖6所示。

由圖中可以看出，在間距為半波長(zhǎng)的情況下，天線帶內(nèi)互耦在－19 dB以下，達(dá)到了天線設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)天線的陣元間距大于半波長(zhǎng)時(shí)，天線隔離度將會(huì)大于19 dB，更加利于系統(tǒng)的工作。

圖6 天線的互耦情況仿真

3 天線的加工及測(cè)試

對(duì)天線進(jìn)行了加工，實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

根據(jù)工程實(shí)際的需要，只對(duì)需要的工作頻帶進(jìn)行了測(cè)試。在工作帶寬內(nèi)，天線的性能與仿真結(jié)果基本相近。頻率選取了f1～f7七個(gè)頻點(diǎn)，駐波測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。

圖7 天線實(shí)物圖

圖8 天線駐波測(cè)試結(jié)果

對(duì)天線的方向圖進(jìn)行了測(cè)試，主要是針對(duì)天線軸比和±60°時(shí)的天線增益。由于測(cè)試中不能直接測(cè)試天線的圓極化增益，因此對(duì)天線的長(zhǎng)軸增益進(jìn)行了測(cè)試記錄，測(cè)試結(jié)果，如圖9所示。

對(duì)組合工作的一對(duì)天線的互耦情況及相位一致性進(jìn)行了測(cè)試，使用的單元間距為半波長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果，如圖10所示。

圖9 天線方向圖測(cè)試圖

圖10 天線互耦及相位一致性測(cè)試圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種雙饋方式的微帶圓極化天線，首先利用HFSS數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)。仿真貼片的大小僅為工作波長(zhǎng)的22%，實(shí)現(xiàn)了良好的圓極化帶寬和寬波束增益性能，天線組陣工作后的互耦情況和相位一致性的性能良好。最終對(duì)天線進(jìn)行了加工測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

［1］ John D．Kraus，Ronald J．Marhefka．Antennas：For All Applacations［M］．The McGraw－Hill Companies，2006：253－255．

［2］ Eng Gee．Lim，Yi Huang，Vui Kien Liau．Perturbation Modelling of a Corner Deleted Circular Polarised Microstrip Antenna with offset Feed［C］．2010 International Conference on Communications and Mobile Computing，2010：127－129．

［3］ Kin－lu Wong，Tzung－wern Chiou．Broad－Based Single－Patch Circularly Polarized Microstrip Antenna with Dual Capacitively Coupled Feeds［J］．IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2001，49（1）：41－44．