中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 郭麗江 任冀南 于秀沙 孫 良

0.引言

近年來無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對天線的性能要求也愈來愈高。天線作為電磁波傳播的載體，在通信系統(tǒng)中的作用也越來越重要[1]。為了滿足不同應(yīng)用場合的不同實(shí)際需求，天線的設(shè)計(jì)通常需要定制化專門設(shè)計(jì)。本文介紹了一種波束覆蓋全空域的L波段圓極化天線。

微帶天線以其良好的電氣特性以及微帶天線本身具有結(jié)構(gòu)小、重量輕、易集成等優(yōu)點(diǎn)成為研究的重點(diǎn)[2-4]。常見的雙極化微帶天線采用共口徑正交耦合饋電方式，兩種極化的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)布置在同一層，由于兩極化饋電網(wǎng)絡(luò)的相互影響，這樣會天線的陣列規(guī)模受到限制。

且由于采用微帶線饋電，天線背面需要一定厚度的空氣層，無法集成安裝其他設(shè)備[5-7]。

文獻(xiàn)[8]中介紹了一種改進(jìn)方法，在微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)后面1/4 波長處增加一塊金屬地板，提高了增益，有利于安裝，但這種方法大大增加了天線的整體厚度。文獻(xiàn)[5]中介紹了一種饋電網(wǎng)絡(luò)的的改進(jìn)方法，采用多層微帶天線形式，通過帶線-同軸-波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換形式將兩個(gè)極化的饋電網(wǎng)絡(luò)隔離，分別布置于天線的不同印制板層，這樣避免不同極化饋電網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響，但這樣增加了設(shè)備的天線印制板層數(shù)，增加了設(shè)備的復(fù)雜度。

由于不同衛(wèi)星的信號頻率和極化方式不一樣，因此對衛(wèi)星通信天線的極化方式提出了更高的要求，本文根據(jù)具體需求，對上半空域的覆蓋采用了圓極化微帶天線，對下半空域的波束覆蓋采用了垂直線極化的微帶陣列天線形式，分別采用同軸探針饋電。實(shí)際加工了天線陣列，給出了測試結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1.天線的組成和原理

天線包含四個(gè)兩單元下層陣列和一個(gè)頂部圓極化天線。天線組成框圖如圖1所示。天線需波束需覆蓋整個(gè)空域，因此設(shè)計(jì)由一個(gè)圓極化微帶貼片單元和四個(gè)兩單元微帶陣列構(gòu)成一個(gè)組合天線。其中圓極化微帶貼片天線單元放置與天線頂端，覆蓋上半空域。四個(gè)兩單元微帶陣列天線相互正交放置，每個(gè)天線覆蓋方位90°范圍。通過對天線進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)方位波束的360°覆蓋。天線接收到信號后，分別送入低噪聲放大器進(jìn)行信號放大。天線示意圖如圖1所示。

2.天線單元的設(shè)計(jì)

對于上半空域的覆蓋，為了實(shí)現(xiàn)天線的圓極化功能, 首先設(shè)計(jì)一個(gè)圓形的圓極化微帶貼片天線單元。微帶貼片天線單元如圖2所示，這種天線單元簡單、易于制造, 并且具有良好的圓極化輻射特性。為了滿足寬帶特性，天線采用了寄生加載的結(jié)構(gòu)形式[8]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線由上下兩層結(jié)構(gòu)組成, 上層是單面微波介質(zhì)板，金屬涂層位于介質(zhì)板的上表面,是圓形貼片寄生單元，主要起到阻抗匹配和展寬帶寬的作用；下層微波介質(zhì)板為雙層板，為正方形切角結(jié)構(gòu)，同軸探針偏饋，目的是實(shí)現(xiàn)圓極化。兩層結(jié)構(gòu)由外支撐結(jié)構(gòu)和螺釘固定。通過對單元參數(shù)的優(yōu)化，最終天線外形尺寸為110mm×110mm×20mm。

圖1 天線組成示意圖

對于下半空域的覆蓋，我們采用垂直線極化的微帶陣列天線。天線單元如圖3所示，這種天線單元類似于一對拉寬的對稱振子天線，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線由上下兩層結(jié)構(gòu)組成, 上層是雙面印制板, 該層金屬涂層雙面對偶布置，形成對稱振子天線結(jié)構(gòu)，中間再通過二合一的合路器連接構(gòu)成陣列，為主要的輻射單元。下層為仿真用的反射板，單層板，主要作用是反射電磁波，使上層輻射單元單向輻射。

圖2 圓極化天線單元示意圖

圖3 陣列天線示意圖

天線單元采用寬帶印刷振子天線形式，通過優(yōu)化反射板形狀，可方便的對波束進(jìn)行調(diào)節(jié)。寬帶印刷振子天線示意圖如圖5所示。兩個(gè)天線單元組成的線陣直接通過微帶功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了合成，并通過寬帶巴倫進(jìn)行了阻抗匹配，使天線具有較寬的駐波帶寬。

天線單元設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

天線反射板寬度為100mm，長度為400mm，厚度為2mm。天線振子采用FR4印制板雙面印刷而成。饋電巴倫及合成網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也印刷在印制板上。最終由SMA-K型接插件進(jìn)行饋電。天線振子寬度25mm，長度80mm。陣列間距選取120mm。

3.仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述單元的設(shè)計(jì)，我們利用電磁仿真軟件HFSS18對該天線進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 圓極化天線電壓駐波比仿真結(jié)果

圖5 頂部圓極化天線方向圖仿真結(jié)果

圖6 天線陣列V線極化仿真結(jié)果

下面對下層的垂直極化天線陣列進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果如圖4～圖6所示，天線電壓駐波比在工作帶寬內(nèi)小于2.2，天線的方向圖在工作頻段內(nèi)輻射特性良好。

同時(shí)，電磁軟件仿真的增益上層天線大于6dBi，軸比在工作帶寬內(nèi)小于2。下層陣列天線增益大于8 dBi。具有很好的輻射特性。

根據(jù)仿真結(jié)果，加工了該陣列天線，并對天線進(jìn)行了測試，天線樣機(jī)如圖7所示。

圖7 天線樣機(jī)照片

4.結(jié)論

本文介紹了一種波束覆蓋全空域的微帶陣列天線。天線分為兩部分，上部分是圓極化切角天線單元，覆蓋上半空域；下部分采用雙單元組陣，分布在長方體的四個(gè)側(cè)面，波束覆蓋下半空域。天線均采用印制板形式，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，成本低廉，性能良好。通過電磁仿真軟件的分析，結(jié)果表明，該天線性能良好。該天線可以為全空域覆蓋天線的工程應(yīng)用提供很好的參考，同時(shí)也具有良好的實(shí)用價(jià)值。

[1]謝處方,邱文杰等.天線原理與設(shè)計(jì)[M].1985(1).

[2]GHORBANI K,WATERHOUSE R B.Dual polarized wide-bandaperture stacked patch antennas[J].IEEE Trans Antenna Propagation,2004,52(8): 2171-2174.

[3]梁劍鋒,常立新,劉寧,韓國棟.一種衛(wèi)星移動通信雙極化微帶貼片天線[J].電子科技,2014(5).

[4]梁仙靈,鐘順時(shí),汪偉.高隔離度的雙極化口徑耦合微帶單元與陣列天線[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,13(1):10-13.

[5]肖疆,朱敏慧,王小青.一種新型雙極化口徑耦合微帶天線單元的研究[J].微波學(xué)報(bào),2006,22(4):24-31.

[6]王茂光,呂善偉,劉瑞祥著.陣列天線分析與綜合[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1989.

[7]鐘順時(shí)著.微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,1991.