錢 能

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學院 通信工程學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

空間技術(shù)的快速發(fā)展，使得衛(wèi)星通信逐漸完善，在人類社會生活中占據(jù)重要地位。圓極化天線信號接收能力較強，不易受到外界干擾。在實際運行過程中，電磁波在電離層發(fā)生反應產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應，使得圓極化微帶天線廣泛應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，也得到了眾多研究學者的關(guān)注[1]。衛(wèi)星終端天線對天線體積要求較高，需要采用小型化技術(shù)構(gòu)造。為此，本文提出了一種雙頻雙圓極化小型化微帶天線設計。

1 微帶天線基本理論

微帶天線指的是一種利用薄介質(zhì)基片構(gòu)造的金屬天線，由兩面構(gòu)成，其中一面是金屬薄層接地板，另外一面是特制形狀的金屬貼片。該貼片采用的制造方法為光刻腐蝕法[2]。目前，應用較多的微帶天線有4種類型，包括微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線[3]。其中，微帶貼片天線由輻射貼片、介質(zhì)基板和接地板3部分構(gòu)成；微帶振子天線采用的敷設貼片為細線振子或者片狀振子；微帶行波天線在微帶線發(fā)生周期性變化產(chǎn)生輻射時而生成；微帶縫隙天線選取微帶線耦合饋電作為主要饋電方式完成相應操作[4]。

本文選擇微帶天線作為研究對象，因為該類型天線與其他類型天線相比存在以下3項優(yōu)勢：

（1）體積小、剖面較薄、形狀容易控制、重量輕，在運行過程中不易受到外界干擾，載體機械結(jié)構(gòu)安全性較高；

（2）將器件與有源電路結(jié)合到一起形成組件，加工流程簡單，成本低，支持批量生產(chǎn)；

（3）支持多頻段、雙極化、圓極化運行[5]。

2 微帶天線基本技術(shù)

本文設計的雙頻雙圓極化小型化微帶天線采用了3項基本技術(shù)，包括微帶天線雙頻技術(shù)、微帶天線圓極化技術(shù)和微帶天線小型化技術(shù)[6]。本文將對這3項技術(shù)進行簡要介紹，將其作為微帶天線設計的理論基礎。

2.1 微帶天線雙頻技術(shù)

該項技術(shù)指的是同一微帶天線支持兩種不同頻帶共同協(xié)作綜合性通信技術(shù)，采用兩層結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)此技術(shù)功能的方法如下。

第一，在主貼片上方粘貼寄生貼片，將空氣層設置在兩層貼片之間，增加了天線厚度。

第二，在主貼片下方粘貼寄生貼片，將該貼片作為主貼片地板，通過調(diào)節(jié)饋點位置，使得天線得以雙頻工作[7]。

2.2 微帶天線圓極化技術(shù)

該項技術(shù)是在極化天線與圓極化天線之間建立通信橋梁，在移動通信中應用較多。運行過程中，它不容易受到雨霧干擾，具有抵抗多徑反射功效[8]。

工作原理如下：天線工作期間產(chǎn)生兩個線極化電場分量，兩者互相垂直且具有相等的振幅，相位差值為90°。作用體現(xiàn)在Smith圓圖上，通過分析兩個簡并模，在阻抗曲線中生成尖端[9]。目前，應用較多的圓極化實現(xiàn)方法為多元法、多饋法和單饋法[10]。

2.3 微帶天線小型化技術(shù)

該項技術(shù)主要用來滿足電子設備尺寸需求，采用小型化技術(shù)以減小微帶天線尺寸[11]。目前，應用較多的小型化技術(shù)有5個，包括曲流技術(shù)、高介電常數(shù)介質(zhì)基板、加載技術(shù)、分形結(jié)構(gòu)和超材料[12]。

3 天線結(jié)構(gòu)設計

本文采用微帶天線雙頻技術(shù)、微帶天線圓極化技術(shù)和微帶天線小型化技術(shù)，設計雙頻雙圓極化小型化微帶天線。設計要求：雙頻段天線設計，包括低頻段和雙頻段；前者工作狀態(tài)為右旋圓級化，后者工作狀態(tài)為左旋圓極化；尺寸在40 mm以下，剖面在5 mm左右?？紤]到地板強度，本次研究選取厚度為2 mm的鋁板作為天線制作材料，兩個頻段增益控制在3 dBi以上。

為了滿足設計要求，本次研究采用雙層結(jié)構(gòu)，綜合帶寬、增益等多種因素，選取Rogers RO3006作為天線材料設計多種組合，經(jīng)過分析最終確定結(jié)構(gòu)組合方式[13]。

結(jié)構(gòu)1：采用常規(guī)圓極化微帶天線，不需要對此天線采取小型化處理；

結(jié)構(gòu)2：設計小型化微帶天線，此天線四邊開不對等；

結(jié)構(gòu)3：設計小型化微帶天線，此天線四角開不對等；

結(jié)構(gòu)4：設計小型化微帶天線，此天線一側(cè)開有圓形槽；

結(jié)構(gòu)5：IF型微帶天線；

結(jié)構(gòu)6：TS型微帶天線；

結(jié)構(gòu)7：AS型微帶天線。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，采取不同組合方式得到以下設計方案。

（1）結(jié)構(gòu)1（上）+結(jié)構(gòu)1（下）。該方法站在理論角度可行性較高，但是其低介電常數(shù)的設置會對天線尺寸造成影響，過大尺寸將不滿足小型化要求。如果采用高介電常數(shù)，雖然能夠滿足尺寸要求，但是得到的天線雙頻較小，導致兩層貼片尺寸過近，加大了制造難度。另外，該設計方案天線兩端口隔離度不滿足要求，位于低頻段隔離度約為-3 dB。

（2）結(jié)構(gòu)2（上）+結(jié)構(gòu)2（下）/結(jié)構(gòu)3（上）+結(jié)構(gòu)3（下）。從理論角度看，該方法不可行。上貼片與下貼片之間的電流耦合過于強烈，導致兩個不同頻段環(huán)境下天線無法正常運行，產(chǎn)生嚴重的頻率偏移，且軸比惡化嚴重。

（3）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)1（下）。從理論角度看，該方法不可行。采用常規(guī)貼片貼于下層，無法與高頻貼片匹配，原因為天線容性加載。

（4）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)4（下）。從理論角度看，該方法不可行。下層貼片設置屬于探針過孔，下層貼片設置屬于微擾單元，兩者無法組合工作。在兩個頻段中運行，將嚴重影響天線壽命。

（5）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)5（下），從理論角度看，該方法不可行。在不同頻段下，天線運行過程中，軸比特性將急劇惡化，不滿足設計要求。

（6）結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)6（下）。從理論角度看，該方法可行。上層貼片和下層貼片均采用曲流技術(shù)，實現(xiàn)了小型化設計。該設計方案滿足尺寸要求，根據(jù)實際要求靈活調(diào)節(jié)位置，可以使兩個頻段相互獨立。當TS型天線尺寸固定不變時，通過調(diào)節(jié)IF型結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)頻段的增益調(diào)整。

（7）結(jié)構(gòu)6（上）+結(jié)構(gòu)7（下）。從理論角度看，該方法可行。該組合方案與第六種組合方式相似，兩者之間差異在于饋電位置的設置。該組合方式是在天線上添加介質(zhì)螺釘，將其固定到天線上，使得兩者之間不留有縫隙。然而，該項操作需要利用螺釘對貼片四角對稱位置與天線中心位置進行固定，但是這種固定方式與貼片饋電點位設置不符，所以無法實現(xiàn)。

綜上所述，本文采用結(jié)構(gòu)5（上）+結(jié)構(gòu)6（下）組合方式設計微帶天線。按照這種組合模式，設計方案如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

如圖1所示，微帶天線主要由3部分構(gòu)成，包括接地板、空氣層和圓形缺口貼片。首先，在開口左右對稱位置設置圓形貼片粘貼點并粘貼貼片，將探針饋電技術(shù)作用于貼片上形成微擾，根據(jù)實際情況調(diào)整饋電位置、缺口寬度、缺口深度，使得分離后的兩個空間幅度相同、空間處于正交狀態(tài)，兩者相位差值為90°，實現(xiàn)圓極化特性。其次，在圓形缺口貼片內(nèi)側(cè)開環(huán)構(gòu)槽形成圓形缺口貼片，要求該貼片滿足尺寸大小要求，符合諧振頻率要求控制要求。最后，在兩貼片正交位置設置缺口貼片位置，以此構(gòu)建雙頻端雙圓極化。為了使四角窄金屬條獲取激勵，本文在設計微帶天線時以內(nèi)側(cè)貼片為中心，順時針旋轉(zhuǎn)45°，設置探針饋電作用位置，將內(nèi)側(cè)+45°窄金屬帶條、-45°窄金屬帶條、+135°窄金屬帶條、-135°窄金屬帶條分別與外側(cè)貼片連接，在探針饋電作用下產(chǎn)生激勵，使得各個帶條能夠正常工作。

4 參數(shù)設計

設底板與介質(zhì)基之間空氣的厚度為h，外側(cè)輻射貼片的外部直徑為R1，介質(zhì)厚度為t，內(nèi)側(cè)貼片直徑為R2；窄金屬帶條寬度設置為1 mm，用于連接外層貼片和內(nèi)層貼片。另外，將內(nèi)部貼片缺口寬度設置為S1，深度為P1，外部貼片缺口寬度設置為S2，深度為P2，中心點與饋電點之間的距離則用r表示。

本次研究設計采用的介質(zhì)基片厚度為2 mm，通過調(diào)節(jié)R1來控制介質(zhì)層貼片低端諧振頻率，同時調(diào)節(jié)R2來控制介質(zhì)層貼片高端諧振頻率，計算公式如下：

式（1）中，ar代表貼片半徑，f0代表諧振頻率，C0代表光速，εr代表介電常數(shù)。本次研究取值1.84。

利用內(nèi)層貼片微繞量S1、P1與外層貼片S2、P2共同調(diào)節(jié)諧振點圓極化性能。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，設置外層貼片和內(nèi)層貼片環(huán)形槽寬度為d，在RHCP位置設置頻段1 280 MHz、在LHCP位置設置頻段2 320 MHz，形成雙頻雙圓極化微帶天線。

5 小型化分析

本文在設計微帶天線時，在切角方形微帶的下層位置粘貼L型縫隙，是為了完成小型化處理。通過計算貼片不開槽情況下的貼片尺寸大小，來判斷設計方案是否滿足小型化設計要求。天線工作頻率計算公式為：

式（2）中，c代表自由空間光速，

當微帶天線的工作頻率達到1.62 GHz時，方形貼片邊長為49 mm。通過仿真優(yōu)化處理后，貼片邊長為48.5 mm。本文設計的L型縫隙天線貼片為39 mm，較未處理前，天線尺寸縮小了25.6%，滿足小型化要求。

6 仿真測試分析

本次測試的頻點為1 280 MHz頻點和2 320 MHz頻點。前者匹配的圓極化特性為RHCP，后者匹配的圓極化特性為LHCP。圖2為中心頻率為1 280 MHz的雙頻帶駐波與軸比仿真曲線。

圖2 中心頻率1 280 MHz雙頻帶駐波與軸比仿真曲線

圖3 為中心頻率為2 320 MHz的雙頻帶駐波與軸比仿真曲線。

通過觀察圖2和圖3的結(jié)果可知，微帶天線在1 280 MHz頻點實現(xiàn)了雙頻圓極化。當頻帶位于1 265～1 325 MHz或2 300～2 355 MHz時，駐波低于2，微帶天線在2 320 MHz頻點實現(xiàn)了雙頻圓極化；當頻帶位于1 270～1 285 MHz或2 305～2 340 MHz時，駐波低于2。

圖3 中心頻率2 320 MHz雙頻帶駐波與軸比仿真曲線

圖4 為中心頻率1 280 MHz增益曲線。

圖4 中心頻率1 280 MHz增益曲線

圖5 為中心頻率2 320 MHz增益曲線。

圖5 中心頻率2 320 MHz增益曲線

通過觀察圖4和圖5可知，兩個頻段下帶寬增益在6 dBi以上。可見，本文提出的設計方案符合設計要求。

7 結(jié) 語

本文通過分析雙頻雙圓極化小型化微帶天線設計要求，將多種結(jié)構(gòu)兩兩組合，分別展開理論分析，最終選取結(jié)構(gòu)IF（上）+結(jié)構(gòu)AS（下）組合方式設計微帶天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由接地板、空氣層、圓形缺口貼片3部分構(gòu)成，經(jīng)過參數(shù)設計、小型化分析確定微帶天線設計方案。觀察仿真測試結(jié)果可知，本文提出的設計方案符合設計要求。