楊國棟，宋 躍

(中國電子科技集團公司第54研究所天線伺服部，河北石家莊 050081)

隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)各種衛(wèi)星通信終端，寬帶寬波束成為該類天線必備的指標要求。工程中適用的天線結構形式包括螺旋天線、十字振子天線具有寬波束特性，但或多或少的存在著工作帶寬窄［1－3］，剖面高，波束寬度窄等缺點［4－6］。另外由于天線的匹配帶寬和軸比帶寬不重合，天線的實際工作帶寬往往不能滿足應用需要［7－10］。

本文設計的寬帶寬波束天線，采用四臂L形探針對層疊結構的介質基片進行饋電，并使用帶狀線寬帶置相網(wǎng)絡實現(xiàn)了雙圓極化工作。在探針周圍加入了圓柱形金屬腔體，抑制了天線的表面波和高次模。在20%的相對帶寬內實現(xiàn)了電壓駐波比＜2.0，波束寬度＞120°，軸比＜3.2 dB，滿足了衛(wèi)星通信的應用要求。

1 天線設計

天線的整體結構示意圖如圖1所示。天線由介質基片、L形振子、反射腔、饋電網(wǎng)絡等4部分組成。天線外廓尺寸為φ120 mm×30 mm。

圖1 天線結構示意圖

采用兩層寄生金屬貼片、增加微帶天線的厚度和耦合饋電方式，來展寬工作帶寬。天線的匹配特性可通過調整金屬貼片的間距和大小獲得。為進一步降低微帶天線金屬貼片至底板的距離，選用介電常數(shù)相對較高的(ε=3.5)的介質基片，使天線至底板間的距離降低至25 mm，約為中心頻率對應波長的17%。并通過優(yōu)化兩層金屬貼片之間的相對位置，確定多層介質基片的厚度。通過微調，上層金屬貼片的尺寸為33 mm×33 mm，下層金屬貼片的尺寸為30 mm×30 mm。在微帶天線的外側加入φ80 mm的金屬圓腔，微調金屬圓腔內徑，可展寬天線波束和抑制載體表面波。

為了實現(xiàn)較好的圓極化特性，天線饋電可采用雙饋電點結構形式和四饋電點結構。由于雙饋電方式的激勵不平衡，導致天線軸比特性惡化。因此在天線設計時采用倒L型四饋電點的耦合饋電方式。如圖1所示，為了精確控制4個探針的位置，4個L形探針分別印制在ε=4的介質基板上，再使用螺接的方式與底板固定。

如圖2所示，為了實現(xiàn)雙圓極化工作模式，饋電網(wǎng)絡采用一個90°、3 dB電橋和兩個180°、3 dB電橋級聯(lián)。通過采用帶狀線形式，有效抑制了天線輻射的電磁波對網(wǎng)絡的影響。介質基板選用介電常數(shù)為2.2、厚度為1 mm的聚四氟乙烯材料，其固定在探針下方的金屬腔內，4個輸出端口分別與天線的4個探針相聯(lián)，保證相對相位為0°、±90°、±180°和 ±270°。

通過全波電磁場分析軟件Ansoft HFSS對天線進行了仿真分析，仿真結果如圖3～圖6所示。

圖2 饋電網(wǎng)絡示意圖

2 天線仿真與分析

用單層耦合貼片無法獲得足夠的工作帶寬，使用兩層貼片進行耦合即可有效解決這一問題。通過優(yōu)化兩層耦合貼片之間的間距，可使天線獲得良好的匹配特性。

圖3中給出了兩層金屬貼片不同間距d時電壓駐波比的仿真結果，可看出，兩層貼片間距選取6 mm時，天線已獲得了良好的匹配。

圖3 電壓駐波比仿真結果

對采用雙饋電點和四饋電點的天線進行了仿真對比，如圖4所示。四饋電點使得天線軸比特性尤其是寬角軸比得到了大幅的改善。根據(jù)仿真結果，天線軸比在120°波束內均＜3.2 dB。

圖4 軸比仿真結果

對天線有無反射腔體進行了仿真計算，并對其輻射方向圖進行了對比，如圖5所示。仿真結果表明，加入金屬腔體后，天線－3 dB波束寬度從100°增長到了156°，使天線低仰角輻射特性得到了改善。

圖5 歸一化輻射方向圖

饋電網(wǎng)絡采用改進的緊湊型90°和180°寬帶移相器結構。在設計時為了減小帶狀線間的耦合，在帶狀線兩側放置了連續(xù)的金屬化過孔。從仿真結果可以看出，優(yōu)化后的寬帶饋電網(wǎng)絡在需要的1 980～2 400 MHz頻段內具有良好的90°、180°移相特性，如圖6所示。

圖6 圓極化饋電網(wǎng)絡移相特性仿真圖

3 天線測試

圖7天線給出了天線原理樣機的圖片。圖8給出了天線的實測反射系數(shù)曲線，從測試結果可看出，天線在1 980～2 400 MHz工作頻帶內電壓駐波比＜－10 dB，滿足使用要求。

圖7 天線實物圖

圖8 天線實測反射系數(shù)

圖9和圖10分別給出天線原理樣機在1 980 MHz和2 300 MHz處實測的右旋圓極化方向圖曲線?？梢钥闯鎏炀€具有120°的3 dB寬波束特性。在1 980 MHz和2 300 MHz頻點處實測的天線圓極化增益分別為2.9 dB和3.2 dB，實測的圓極化軸比優(yōu)于1.5 dB。實驗數(shù)據(jù)表明，在要求的頻帶內該天線具有良好的圓極化輻射性能，滿足衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)對終端的電氣指標要求。

圖9 天線的實測輻射方向圖

4 結束語

本文設計了一種寬帶寬波束天線，并具有雙圓極化工作能力。所設計的天線具有低剖面、結構可靠、使用靈活并使用搭載與多種平臺等優(yōu)點。具有良好的電性能和工程實現(xiàn)性。

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