李 霞，孫國莉，李 勛

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司·天津·300301)

0 引 言

圓極化天線憑借其接收衛(wèi)星信號時具有抗雨霧和抗多徑干擾的特性，受電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響較小，由載體姿態(tài)變化引起的極化失配損耗小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。GPS導(dǎo)航、測距和遠(yuǎn)程遙感等應(yīng)用，需要天線在整個上半空域具有近似一致的響應(yīng)，并具有較高的低仰角增益，以補(bǔ)償該區(qū)域較大的自由空間損耗[1]。同時，需滿足采用單天線覆蓋衛(wèi)星通信、GNSS和移動通信等多個系統(tǒng)應(yīng)用的需求，促使寬頻帶寬波束圓極化天線的研究具有重要的工程應(yīng)用價值[2-5]。

研究表明，采用多臂螺旋天線[6]、折尾十字交叉振子天線和基于超表面[7]等形式可實(shí)現(xiàn)寬圓極化波束寬度設(shè)計(jì)，但工作頻帶難以滿足寬帶應(yīng)用需求；通過利用交叉偶極子天線的演變形式[8]以及在其基礎(chǔ)上增加寄生單元的方法[9-11]，可有效展寬軸比(Axial Ratio, AR)小于3dB的工作頻帶，但圓極化波束寬度有待展寬；文獻(xiàn)[12]提出了利用磁偶極子與電偶極子方向圖互補(bǔ)疊加原理實(shí)現(xiàn)寬頻帶寬波束設(shè)計(jì)的方法，但該形式的磁電偶極子實(shí)現(xiàn)圓極化饋電的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程適用性不足。文獻(xiàn)[13-14]采用正交移相網(wǎng)絡(luò)對磁偶極子加載的電偶極子進(jìn)行了饋電，分別利用矩形背腔、波紋邊緣矩形背腔展寬了圓極化波束寬度，實(shí)現(xiàn)了26.7%和45.3%的軸比AR<3dB的帶寬。同時，在26.7%和19.5%的帶寬內(nèi)，圓極化波束寬度達(dá)到了165°?；谏鲜鑫墨I(xiàn)采用的設(shè)計(jì)方案，本文采用正交移相饋電網(wǎng)絡(luò)對雙面印刷的正交偶極子天線進(jìn)行了激勵，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化輻射設(shè)計(jì)。同時，利用磁偶極子對電偶極子耦合加載的方式，使天線軸比小于3dB的帶寬達(dá)到了29.5%，使AR<3dB的波束寬度大于180°，實(shí)現(xiàn)了天線寬頻帶寬角域圓極化輻射的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)圓極化波的基本理論，兩個相互正交、振幅相等、相位相差90°的線極化波可以合成一個圓極化波。交叉偶極子天線可產(chǎn)生兩個相互正交的線極化波。通過改變兩個正交陣子的長度實(shí)現(xiàn)自相移，或者利用功分移相饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等幅相位相差90°的饋電，可產(chǎn)生圓極化輻射波[15]。其中，通過調(diào)節(jié)陣子長度改變自身阻抗虛部實(shí)現(xiàn)陣子間90°相位差的方法對頻率變化非常敏感，難以滿足寬頻帶設(shè)計(jì)的需求。本文采用雙面印刷的正交偶極子天線結(jié)合正交移相饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化輻射，同時利用磁偶極子對其加載以實(shí)現(xiàn)寬頻帶寬角域圓極化的輻射性能，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由正交偶極子、磁偶極子、圓形背腔、四個短路柱和同軸饋線構(gòu)成。

圖1 天線幾何模型圖Fig.1 Geometry of proposed antenna

正交偶極子由刻蝕在介電常數(shù)為2.55、厚度為1.14mm的介質(zhì)板上的四個陣子臂構(gòu)成，分別位于頂層和底層的兩對正交偶極子臂通過長度為四分之一波長的圓環(huán)實(shí)現(xiàn)連接，分別形成90°的激勵相差。同時，利用同軸線在天線中心進(jìn)行單點(diǎn)饋電，同軸外導(dǎo)體與底層偶極子相連，同軸內(nèi)芯與頂層偶極子相連，使得四個陣子臂具有0°、90°、180°、270°的激勵相位差，可實(shí)現(xiàn)天線的右旋圓極化輻射特性。上述圓極化正交偶極子天線的軸比帶寬較窄，通過在頂層臨近陣子臂的位置加載四個與正交偶極子強(qiáng)電磁耦合的矩形貼片，可在軸比隨頻率變化的曲線中增加一個軸比諧振點(diǎn)，從而有效展寬圓極化的工作帶寬，為進(jìn)一步在該天線寬帶圓極化特性的基礎(chǔ)上展寬圓極化波束的覆蓋范圍，將四個接地短路柱與頂層的寄生矩形貼片連接等效為磁偶極子。根據(jù)電偶極子和磁偶極子方向圖互補(bǔ)疊加原理，將磁偶極子對交叉偶極子進(jìn)行加載，可實(shí)現(xiàn)交叉偶極子E面方向圖與磁偶極子E面全向圖的方向圖疊加，從而有效展寬圓極化波束寬度。同時，天線的E面和H面方向圖具有良好的對稱性。天線背腔的加載在有效提高天線的前后輻射比的同時，會對天線的圓極化輻射性能產(chǎn)生影響。電偶極子天線的后向輻射至背腔表面，將產(chǎn)生感應(yīng)電流，而背腔的結(jié)構(gòu)形式將影響感應(yīng)電流的分布，從而影響反射波的電場分布。經(jīng)過仿真對比矩形背腔加載和圓形背腔加載對天線圓極化波束寬度的影響，本文選用了幾何對稱性良好的圓形背腔對天線進(jìn)行加載，在提高增益的同時進(jìn)一步有效展寬了AR<3dB的波束寬度。

2 天線仿真與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文所述設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中天線安裝底座、天線罩、連接器、安裝螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)對天線性能的影響，在Ansoft HFSS電磁仿真軟件中建立了如圖2所示的仿真模型，以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析正交偶極子、饋電圓環(huán)、磁偶極子等部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線電性能的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)饋電圓環(huán)的半徑、偶極子的長度、磁偶極子距離偶極子的間距等參數(shù)，可控制電偶極子與磁偶極子工作的幅度和相位，從而對軸比帶寬和圓極化波束寬度產(chǎn)生重要影響。同時，背腔的高度和距離輻射口徑的距離會影響圓極化波束寬度和天線增益，背腔距離輻射口徑的距離通常取對應(yīng)于中心頻點(diǎn)的四分之一波長。天線的阻抗帶寬主要受饋電圓環(huán)的線寬和印刷陣子寬度的影響。通過調(diào)節(jié)天線結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，對阻抗帶寬、軸比帶寬、圓極化波束寬度、增益等指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化仿真，天線的主要參數(shù)為：磁耦極子的寬度Wp=36.8mm，交叉偶極子的長度和寬度分別為Ld=32mm、Wd=7.6mm；交叉偶極子與磁耦極子的間距Sd=1mm，磁偶極子短路探針的位置參數(shù)Dx=9mm，背腔的高度和直徑分別為Hc=32mm、Rc=126mm，饋電圓環(huán)的半徑Rf=3.9mm，加工的實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 天線仿真模型Fig.2 Simulation model of the proposed antenna

圖3 天線加工實(shí)物圖Fig.3 Photograph of the proposed antenna

在微波暗室中對天線的方向圖和回波損耗進(jìn)行測量，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的天線饋電端口的輸入反射系數(shù)S11和仿真數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4可以看出，天線在50.7%的相對帶寬內(nèi)S11<-10dB，仿真的S11與實(shí)測數(shù)據(jù)的一致性較好。各頻點(diǎn)的仿真與實(shí)測E面的軸比方向圖如圖5所示。從圖5可以看出，天線在1.3～1.75GHz頻帶內(nèi)AR<3dB的圓極化波束寬度大于180°，且仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)的一致性較好。

圖4 天線的仿真與實(shí)測S11數(shù)據(jù)Fig.4 Simulation and measurement S11 of the proposed antenna

(a)頻率f=1.3GHz

(b)頻率f=1.5GHz

(c)頻率f=1.75GHz圖5 仿真與實(shí)測E面軸比方向圖Fig.5 Simulation and measurement axial ratio pattern in E plane

天線各頻點(diǎn)的仿真與實(shí)測E面右旋圓極化方向圖如圖6所示。從圖6可知，在1.3～1.75GHz頻帶內(nèi)最大輻射方向增益≥6.6dB，驗(yàn)證了采用背腔加載提高天線前后輻射比的有效性。圖7所示為頻率為1.5GHz時E面的主極化和交叉極化的仿真方向圖與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，以及E面與H面主極化方向圖的對比。從圖7可以看出，天線的E面與H面方向圖對稱性良好，同時具有較低的交叉極化電平。

(a)仿真E面右旋圓極化方向圖

(b)實(shí)測E面右旋圓極化方向圖圖6 仿真與實(shí)測E面右旋圓極化方向圖Fig.6 Simulation and measurement right-hand circular polarization radiation pattern in E plane

圖7 頻率為1.5GHz時E面與H面的方向圖特性Fig.7 Radiation pattern in E plane and H plane at 1.5GHz

3 結(jié) 論

本文提出了一種實(shí)現(xiàn)寬帶寬圓極化波束衛(wèi)星導(dǎo)航終端天線的設(shè)計(jì)方法，通過采用正交相移網(wǎng)絡(luò)對交叉偶極子饋電形成了右旋圓極化輻射，同時利用磁偶極子和反射背腔對交叉偶極子進(jìn)行了加載。仿真與實(shí)測驗(yàn)證表明，在1.25～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)滿足S11<-10dB；在1.3～1.75GHz的頻帶內(nèi)軸比小于3dB，圓極化波束寬度≥180°，增益≥6.6dB，而且天線在工作帶寬內(nèi)的E面和H面方向圖的對稱性與穩(wěn)定性良好，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶寬圓極化波束寬度的輻射性能，充分驗(yàn)證了文中設(shè)計(jì)方案的有效性。為提高所設(shè)計(jì)天線的工程應(yīng)用價值，天線相位中心的穩(wěn)定性和低剖面小型化等問題有待后續(xù)進(jìn)一步研究，以適應(yīng)衛(wèi)星通信與導(dǎo)航地面終端系統(tǒng)的應(yīng)用需求。