一种具有宽角轴比特性的圆极化天线

陶 伟 赵玉军 王昕晔

（1.海军装备研究院，北京100161；2.陕西海通天线有限责任公司，陕西 西安710075；3.海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉430033）

引 言

随着卫星通信和全球卫星导航定位系统技术的发展，与之配套的圆极化天线凭借其独特的旋向正交特性，也得到了迅速发展与应用，有效提高了卫星通信和导航系统的接收灵敏度与定位精度，降低了系统接收误码率.

实际工程应用中，为满足天线在上半空间具有均匀辐射特性和全向性等使用需求，要求圆极化天线具有较宽的覆盖波束，在更宽的波束范围有好的轴比特性.文献［1-3］表明，通过设计四臂螺旋、十字交叉振子和微带等天线形式均可实现宽波束的圆极化天线；其中微带圆极化天线因为具有体积小、重量轻、低剖面、低成本、易于实现量产和微带线路集成等众多优点，得到了更加广泛的关注和应用.但受天线底部金属腔和边界条件的影响，微带天线往往具有低仰角轴比特性差的缺点［4-5］，严重阻碍了其实用化进程，因此如何提高微带圆极化天线的宽角轴比特性是当前天线领域的一个研究热点，也是难点.

针对微带圆极化天线低仰角轴比特性差的问题，研究并设计了一种单馈点宽波束圆极化微带天线，采用L型微带馈电形状和耦合馈电的方式激励出正交方向的电场；通过调整馈电长度，实现辐射正交电场的90°相位差，进而实现天线的圆极化；重点在馈电结构上有所创新，采用双层电磁耦合型馈电结构取代传统馈电结构，使其同时具有一定的辐射功能，并在此基础上通过附加馈线阻抗匹配、调整馈线和辐射单元间的厚度等技术措施实现了指标的优化，完成了具有宽角轴比特性的微带天线设计.研制了天线原理样机并进行了测试，测试结果达到使用要求.

1 微带圆极化天线基本理论与关键技术解决

1.1 圆极化天线基本理论

采用传输线模型理论分析微带天线，通过在导体贴片与接地板之间激励起电磁场，微带贴片可看作宽为W、长为L（一般L＝λg／2）的一段微带传输线（λg为介质波长），其终端在L处呈现开路.

对于圆极化天线，需要设计使其辐射出两个在空间互相垂直、幅度相等，相位相差90°的电磁波.通过微带天线的半波辐射结构，其在某一频率的谐振长度可由下式近似得出［6］

式中：c是真空中光速；λg是介质波长；L是贴片的长度；εe是基板材料的等效介电常数；ΔL是等效贴片长度伸长，其值由以下公式计算：

式中：H为基片厚度；εr是基片材料的相对介电常数；W为贴片宽度，在设计圆极化时与L近似相等.

轴比是圆极化天线区别于其它天线的一个主要性能参数.任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆，椭圆的长轴和短轴之比称之为轴比.轴比代表圆极化的纯度，是衡量整机对不同方向的信号增益差异性的重要指标，轴比小于3dB的带宽定义为天线的圆极化带宽.在卫星通信和导航等应用中，由于卫星分布在上半球空间，而轴比易受到天线边界条件和外形结构等影响，所以保证天线在各个方向均有相近的敏感度非常重要.

1.2 L型微带馈线与耦合馈电贴片结构设计技术

所设计的宽角轴比圆极化天线采用了双层结构的电磁耦合型馈电，如图1所示.图中，h为介质基片厚度，L为近似正方形微带贴片的边长，S为L型微带馈线长边的长度，F为L型微带馈线的宽度.选择使用相同参数的介质基片1和介质基片2层叠，利用介质基片2将同轴探针馈电过渡到L型微带馈线，用L型微带馈线给位于介质基片1上的近似方形微带贴片间接馈电，通过介质基片1的地与介质基片2的贴片形成容性缝隙辐射电磁能量.L型微带馈线激励了两个空间上相互垂直、幅度近似相等、相位相差90°的电磁波.设计中在近似方形微带贴片上形成一个微调单元A，其作用近似一个并联的电容，对天线圆极化性能起到了优化作用.

图1 采用双层电磁耦合馈电的微带右旋圆极化天线结构

利用Ansoft HFSS电磁分析软件对天线进行了仿真，图2给出了天线表面电流分布.从图中可以看出，电流主要分布在辐射贴片表面，但是在L型微带馈线表面还形成了少量电流分布，这部分电流将会产生辐射，由此表明，应用本设计可以通过调整微带馈线来调整其表面电流辐射，进而实现对整个天线方向图的调整，并最终达到调整方向图宽度以及天线宽角轴比的目的.

图2 微带圆极化天线表面电流分布示意图

为了验证微带馈线在上述设计中的调整作用进行了仿真计算.图3～5给出了不同馈线宽度对应的方向图、轴比（1.268GHz的其中一个剖面）以及驻波比的仿真计算图示.从图中可以看出，馈线的宽度会影响天线波瓣宽度、阻抗匹配和电压驻波比，这充分证明了本设计中馈线对天线辐射的调节作用.

图3 不同馈线宽度对天线方向图的影响

图4 不同馈线宽度对天线轴比的影响

图5 不同馈线宽度对天线电压驻波比的影响

1.3 天线性能优化

为获取最优的馈线宽度以实现好的低仰角轴比特性，主要从以下三方面进行优化.

1）对天线的辐射性能进行优化.根据工作频率和工程需要的体积大小，选择合适的介质基片，采用厚度h＝3.0mm、介电常数εr＝6.15的介质基片1和介质基片2进行小型化设计，增加介质厚度，增加辐射单元的电导，从而提高辐射效率；优化设计L型微带馈线的馈电方向和尺寸，实现右旋的圆极化和较宽的宽角轴比带宽，同时调整近似方形微带贴片和微调单元的尺寸，进一步提高圆极化性能.

2）进行带宽展宽设计.圆极化微带天线的工作带宽主要受限于阻抗带宽，所以附加馈线阻抗匹配可以有效展宽微带天线的工作带宽，通过增加馈线和辐射单元之间的厚度可增加阻抗带宽.通过在同轴馈电和L型微带馈线之间增加微带阻抗匹配段，增大天线的阻抗带宽和阻抗匹配调整自由度，使天线阻抗特性得到优化.

3）进行电压驻波比优化.增加介质基板厚度，将两层厚度为3mm基片叠加为6mm，增大了微带天线辐射的缝隙宽度，使得谐振腔中辐射出的能量增大.同时利用厚介质基片激励的表面波模式展宽了天线波束，提高了低仰角性能.

通过以上设计，得到L波段内以1 268MHz为中心频率的宽角轴比圆极化天线具体设计参数为：εr＝6.15、h＝3.0mm、L＝0.182λ0mm、S＝0.149λ0mm以及馈线宽度F＝0.076λ0.

2 宽角轴比圆极化天线的仿真测试

图6～8是采用Ansoft HFSS电磁分析软件仿真的天线电气特性图.图6的仿真结果显示，在1 268±10MHz频点的右旋圆极化最大增益分别为5.3dBic、5.51dBic、4.99dBic，150°范围右旋圆极化最小增益分别为-0.1dBic、-0.15dBic、-0.33 dBic.

图7的仿真结果显示，波束宽度150°范围轴比分别为2.01dB、1.1dB、3.1dB.

图8仿真结果显示，1 268±10MHz频段内天线的电压驻波比小于等于1.2；1 268±30MHz频段内天线的电压驻波比小于等于1.5.

图6 右旋圆极化垂直面增益方向图

图7 右旋圆极化轴比方向图

图8 右旋圆极化电压驻波比

3 样机测试结果

在上述理论指导下，研制了这种宽角轴比圆极化天线原理样机（见图9）.

图9 宽角轴比微带圆极化天线实物照片

根据工程使用要求在天线底部加装金属腔体后，使用128多探头球面近场天线测试系统进行了测试，结果如图10～12所示.

3.1 天线增益测试结果

由图10可以看出，中心频率1 268±10MHz内150°波束范围内圆极化增益大于等于-0.5dBic实现了较宽波束范围内较高的辐射效率，满足卫星导航定位天线低仰角具有较高增益的要求.

图10 实测垂直面增益方向图

图11 实测轴比方向图

3.2 天线轴比带宽测试结果

由图11可以看出，中心频率1 268±10MHz时，150°波束范围轴比小于等于3dB，达到了预期的宽角轴比要求.

3.3 天线电压驻波比测试结果

由图12可以看出，在中心频率1 268±10MHz范围内实测的天线电压驻波比小于等于1.2，天线在工作频率范围内具有较好的阻抗匹配特性.

图12 实测电压驻波比

4 结 论

设计具有宽角轴比特性的微带圆极化天线是当前卫星通信、卫星导航系统发展和应用的要求，具有很大挑战性.采用层叠结构的耦合贴片和L型微带馈线技术优化设计了右旋圆极化天线，研制了具有宽角轴比特性的圆极化天线样机，并对其增益、轴比和电压驻波比进行了测试.测试结果表明该天线在较宽的波束范围内具有好的轴比和极化增益，在更宽的频带内获得较低的电压驻波比，满足工程应用要求.

［1］白旭东，曹岸杰，唐晶晶，等.一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计［J］.中国电子科学院学报，2002，l7（1）：81-84.BAI Xudong，CAO Anjie，TANG Jingjing，et al.Design of a novel dual-band wide-beam quadrifilar helix antenna［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2002，17（1）：81-84.（in Chinese）

［2］周 进，王玉峰，常 雷，等.一种宽波束圆极化十字阵子天线［J］.通信对抗，2014，33（1）：40-45.ZHOU Jin，WANG Yufeng，CHANG Lei，et al.A wide beam circular polarization cross dipole antenna［J］.Communication Countermeasures，2014，33（1）：40-45.（in Chinese）

［3］陈玉林.一种新型宽波束双圆极化天线的设计与仿真［J］.火控雷达技术，2014，43（1）：94-97.CHEN Yulin.Design and simulation of a novel wide beam dual circular polarization antenna［J］.Fire Control Radar Technology，2014，43（1）：94-97.（in Chinese）

［4］罗远祉，阳建平，钟顺时.圆极化微带天线的理论与实验［J］.通信学报，1989，10（4）：20-27.LOU Yuanzhi，YANG Jianping，ZHONG Shunshi.Theory and experiment on circularly polarized microstrip antenna［J］.Journal of China Institute of Communications，1989，10（4）：20-27.（in Chinese）

［5］CHEN W S，WU C K，WONG K L.Novel compact circularly polarized square microstrip antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2001，49（2）：340-342.

［6］林昌禄.天线工程手册［M］.北京：电子工业出版社，2002：127.