姚鳳薇

(上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院, 上海 201306)

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小曲率錐臺(tái)共形微帶圓極化天線陣列設(shè)計(jì)

姚鳳薇

(上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院, 上海 201306)

在電小尺寸錐臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款工作于全球定位系統(tǒng)(GPS)L1頻點(diǎn)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻點(diǎn)的錐臺(tái)共形水平全向圓極化微帶天線陣。采用高頻結(jié)構(gòu)仿真(HFSS)軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化共形天線帶寬及其圓極化性能。加工了實(shí)物天線陣樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明，該天線陣在(1.32～2.0)GHz頻段內(nèi)駐波比≤2，在GPS L1頻點(diǎn)和北斗B1頻點(diǎn)處，水平全向增益最大值分別為-0.7dB和-0.9dB，增益不圓度小于2.1dB。實(shí)測(cè)結(jié)果證明，該天線具有良好的水平全向圓極化輻射性能，滿足工程需要。

共形; 圓極化; 天線陣列

微帶天線具有剖面低、質(zhì)量輕、易于批量生產(chǎn)、便于與曲面共形等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，可以充分地利用載體表面空間制成與各種航空、航天、艦船及地面車輛等載體表面共形的結(jié)構(gòu)。制成后的表面共形結(jié)構(gòu)具有保持載體良好的氣動(dòng)性能、節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-10]。因此，共形微帶天線作為微帶天線的重要分支，一直是人們研究的熱點(diǎn)。

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)多為工作在L波段的圓極化信號(hào)。一般認(rèn)為，當(dāng)共形安裝的載體半徑大于1個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，可忽略載體曲率對(duì)微帶天線的影響，采用平面模型[11-12]；但當(dāng)載體尺寸為電小尺寸，將天線彎曲共形于錐臺(tái)表面時(shí)，天線性能受載體的表面材質(zhì)和形狀影響不可忽略，尤其曲率半徑變化對(duì)天線圓極化性能的影響更為明顯，會(huì)發(fā)生一定的頻率偏移[13-15]。

本文選取雙饋點(diǎn)的微帶貼片天線單元，采用基于有限元法的電磁數(shù)值計(jì)算和工程調(diào)試相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三單元的電小尺寸錐臺(tái)上的共形全向圓極化導(dǎo)航天線陣列，具有較寬的帶寬和不大于3.5dB的增益不圓度。加工天線樣品并進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線在全球定位系統(tǒng)(GPS)L1和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“北斗”)B1頻點(diǎn)上具有良好的輻射性能，滿足工程應(yīng)用需要。

1　雙饋點(diǎn)圓極化天線單元設(shè)計(jì)

單饋點(diǎn)的微帶圓極化天線帶寬約為1%，為了同時(shí)覆蓋GPS和北斗兩個(gè)工作頻段，本文設(shè)計(jì)采用了如圖1所示的雙饋點(diǎn)圓極化微帶結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用了2個(gè)饋電點(diǎn)來激勵(lì)一對(duì)極化正交的簡(jiǎn)并模，再通過威爾金森功率合成網(wǎng)絡(luò)來保證圓極化工作條件，即兩模振幅相等、相移90°。在功率合成網(wǎng)絡(luò)中添加了電阻，既提高了2個(gè)饋電點(diǎn)間的隔離度，又保證了天線單元在工作頻帶內(nèi)具有很好的阻抗及軸比特性。該雙饋點(diǎn)天線單元軸比帶寬寬，雖然威爾金森功率合成網(wǎng)絡(luò)中添加的電阻會(huì)減小天線增益2dB左右，但是，輻射特性仍滿足工程應(yīng)用的要求。

由于需要與最大口徑D=120mm的錐臺(tái)共形安裝，經(jīng)過比較選擇了介電常數(shù)為2.2，厚度為0.508mm的介質(zhì)基板。圖1所示的圖形印制在介質(zhì)基板的一面，另一面為金屬地。

圖1　平面雙饋點(diǎn)圓極化天線示意圖Fig.1　Planar structure of dual-feed antenna unit

圖2為天線中心頻率E面和H面方向圖。由圖可見，該平面天線為單向輻射，兩波束寬度分別為77°和83°，因此，當(dāng)3個(gè)貼片共形于錐臺(tái)一周時(shí)，波束會(huì)出現(xiàn)一定起伏。

圖2　平面天線計(jì)算方向圖Fig.2　Simulated radiation pattern of planar antenna unit

2　小曲率錐臺(tái)共形天線陣列設(shè)計(jì)

錐臺(tái)載體最大半徑為60mm，錐體高150mm。圖3為采用上述天線結(jié)構(gòu)的錐臺(tái)面共形結(jié)構(gòu)示意圖。為了實(shí)現(xiàn)較好的全向輻射，設(shè)計(jì)中采用了并聯(lián)的三單元陣列形式，如圖4所示，功分網(wǎng)絡(luò)為簡(jiǎn)約的一分三路均勻分布結(jié)構(gòu)形式。為了保證饋電點(diǎn)到每個(gè)單元的幅度相同，每個(gè)與單元連接的微帶線均選擇相同的寬度，饋點(diǎn)到每個(gè)單元的微帶線長(zhǎng)度相同或相差1個(gè)波長(zhǎng)。

圖3　錐臺(tái)共形天線陣列示意圖Fig.3　Structure of conical conformal array

圖4　共形天線陣列展開平面示意圖Fig.4　Planar structure of conical conformal antenna array

經(jīng)計(jì)算，天線與載體共形后，諧振頻率向高端偏移，表面電流發(fā)生變化。為了改善天線陣單元的工作頻段的圓極化性能，分別利用高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Stucture Simulator, HFSS)軟件對(duì)天線寬邊、長(zhǎng)邊、功率合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，最終得到如圖5所示的駐波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)和軸比計(jì)算曲線。由圖可見，在1.33～2.10 GHz頻段內(nèi)，VSWR≤2，而軸比小于3dB的帶寬為360MHz(即1.33～1.69GHz)，有效地覆蓋了GPS L1頻點(diǎn)(1.575GHz)和北斗B1頻點(diǎn)(1.562GHz)。

圖5　駐波和軸比計(jì)算曲線Fig.5　Simulated VSWR and axial-ratio curve

圖6為計(jì)算得到的中心頻點(diǎn)歸一化方向圖。由圖可見，天線呈現(xiàn)較好的全向輻射特性，軸向增益不圓度為2.1dB。

圖6　水平向計(jì)算方向圖Fig.6　Simulated radiation pattern in horizontal direction

3　共形天線陣列測(cè)試結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果加工了實(shí)物，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)量。天線駐波仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合，實(shí)測(cè)曲線略偏向低頻，在1.32～2.0 GHz頻段內(nèi)VSWR≤2，同時(shí)覆蓋GPS L1頻點(diǎn)和北斗B1頻點(diǎn)，這主要是由于在測(cè)試時(shí)引入了SMA接頭，這在仿真計(jì)算時(shí)未予考慮。

采用標(biāo)準(zhǔn)右旋圓極化天線對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試比較，天線在GPS L1頻點(diǎn)(1.575GHz)的水平方向圖如圖7所示。由圖可見，天線周向最大增益為-0.7dB，水平向最小增益為-2.8dB，不圓度為2.1dB。而實(shí)測(cè)增益較計(jì)算得到的最大增益小了約0.5dB，這主要是由兩部分引起的：① 介質(zhì)板本身的損耗；② 對(duì)共形微帶天線測(cè)量時(shí)，最大增益的校準(zhǔn)存在一定的誤差，且在較低頻率下，天線測(cè)試受環(huán)境的影響較大。

天線在北斗B1頻點(diǎn)(1.562GHz)的測(cè)試曲線與圖7基本相同，增益略低了0.2dB，這里不再贅述。

圖7　GPS L1頻點(diǎn)測(cè)試水平向方向圖Fig.7　Measured radiation pattern in horizontaldirection at GPS L1 frequency

根據(jù)上述分析可見，駐波仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果吻合良好，方向圖的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一些差異但也大致吻合。

4　結(jié)　語

本文設(shè)計(jì)了一款小曲率錐臺(tái)共形的全向圓極化微帶天線陣列。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線在(1.32～2.0)GHz頻帶內(nèi)VSWR≤2，在GPS L1和北斗B1頻點(diǎn)處，水平全向增益最大值分別為-0.7dB 和-0.9dB，增益不圓度≤2.1dB，具有良好的水平全向圓極化輻射性能，對(duì)圓極信號(hào)有良好的接收能力，滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求。

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Design of Conical Conformal Circular Polarized Antenna Array on Electrically Small Sized Cone

YAO Fengwei

(School of Electronic Information Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

A conical conformal circular polarized (CP)antenna array on an electrically-small sized cone is presented for the GPS L1 frequency (1.575GHz)and BeiDou B1 frequency (1.562GHz)to realize omni-radiation in horizontal direction.Simulation results of standing wave ratio and radiation patterns are presented by using high frequency structure simulator(HFSS).The measured results show that voltage standing wave ratio(VSWR)is less than 2 in the band of 1.32GHz～2.0GHz, the maximum CP gain of the horizontal direction is-0.7 in L1 frequency point and-0.9dB in B1 frequency point，and the out of roundness of the radiation pattern is less than 3.5dB.It shows the antenna has good CP omni-radiation performance in horizontal direction, which can meet the demand of engineering use.

conformal; circular polarization; antenna array

2015-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61201116)

姚鳳薇(1979-)，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波天線，E-mail：jojoyao@163.com

2095-0020(2016)04-0197-04

TN 822.4

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