应用于多模系统中的宽带圆极化天线

商 锋, 苟恬静

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

为了提高卫星定位导航精度，扩大定位导航系统的覆盖范围，实践中通常组合应用多种导航系统。这种多模系统通常采用圆极化微带天线来接收电磁波[1-2]。由于圆极化天线的固有频率范围较窄，为了保证多模系统通信链路的畅通，在实际工程应用中大多采用安装多跟天线的方式来实现多模系统中多路信号宽频带内的传输[3]。当一个系统中同时使用多个不同频段的天线时，天线之间的电磁耦合效应会恶化系统的性能，影响信息的正常收发。采用具有宽频带特性的单个圆极化微带天线是解决上述问题的有效方法[3]。

常用的微带天线为交叉偶极子天线，其阻抗带宽一般在30%～50%之间，轴比带宽为6%左右，天线的辐射能力和圆极化性能有限[4]。拓宽交叉偶极子阻抗带宽和轴比带宽的方式有多种，如改变传统交叉偶极子臂的结构[5]可以提升天线的阻抗带宽10%～20%，拓展轴比带宽15%左右，使得在工作频段内天线均能产生辐射波，但仍有60%的工作频段不能满足圆极化辐射要求。为了进一步提高天线的圆极化辐射性能，可以在辐射贴片上加入微扰结构来改善轴比带宽[6-7]，这种方式可以使天线的轴比带宽提升30%左右，但仍有20%～30%的工作频段不能满足圆极化辐射需要。通过在振子臂的附近添加寄生单元可以实现天线的宽带化，这种方式不仅能在一定程度上拓宽天线的阻抗带宽，对天线的轴比带宽也有明显改善[8-11]，使得在宽频范围内天线均能实现良好的圆极化辐射特性。

为了覆盖多模系统的宽频范围，实现天线在其工作范围内良好的圆极化辐射性能，本文拟选用添加寄生单元的方式来拓宽交叉偶极子天线的带宽。将辐射贴片和寄生单元设计为扇形结构，通过三维电磁场仿真软件CST(CST studio suite)建模仿真，确定寄生单元的数量、位置及相关参数，并验证天线的性能。

1 圆极化交叉偶极子天线

交叉偶极子天线就是将两根性能和结构均相同的偶极子天线正交放置。圆极化交叉偶极子天线是具有圆极化辐射特性的交叉偶极子天线。

1.1 圆极化交叉偶极子的基本结构

圆极化交叉偶极子天线有移相网络和自相移两种结构。

(1)移相网络结构

移相网络结构的交叉偶极子圆极化天线通过外加馈电结构的方式，实现天线的圆极化辐射[12]。在此结构中，交叉偶极子天线通过两个不同的端口分别输出不同的线极化形式，将两个端口用合路器进行合路，并对其中一路的电流进行90°移相，以产生圆极化波。这种结构需要相移网络和多馈点，较为复杂，难以在实际工程中广泛应用[13]。

(2)自相移结构

自相移结构的交叉偶极子圆极化天线结构如图1所示。它在同一副交叉偶极子天线上实现两种不同的谐振模式。适当调节2个正交的偶极子臂的长短，使两路电流相位差满足90°要求，实现天线的圆极化辐射性能[13]。

图1 自相移交叉偶极子天线结构

1.2 添加寄生单元的圆极化交叉偶极子

自相移交叉偶极子天线的振子臂之间存在相互耦合，可在耦合区中添加寄生单元，通过耦合作用产生另一个圆极化波，改善天线的阻抗带宽和轴比带宽[9]。添加寄生单元后的圆极化交叉偶极子的结构，如图2所示。

图2 添加寄生单元的交叉偶极子天线结构

图中A1、A2为一组偶极子臂，B1、B2为另一组偶极子臂，每组偶极子臂的长度相等。其中A1、A2正交放置并通过圆环连接，通过调节圆环的大小来实现电流的90°相位差，得到一个圆极化波；通过偶极子臂B1、B2得到另一个圆极化波。C为放置在交叉偶极子耦合区中的寄生单元，适当调节其位置和大小，即可产生另一个与交叉偶极子频率相近的圆极化波，从而拓展天线的阻抗带宽和轴比带宽[9]。

2 宽带圆极化天线的设计

通过添加寄生单元的方式来扩宽交叉偶极子天线的阻抗带宽和轴比带宽，其设计内容主要包括天线结构的设计、寄生单元的数量、位置和相关参数确定等。

2.1 天线结构的设计

根据圆极化交叉偶极子的工作原理，结合文献[7]，设计的天线模型结构如图3所示。天线由两组正交的偶极子臂、一个寄生单元、介质板、同轴线和一个金属空腔组成。介质板使用的材料为Teflon，相对介电常数为2.1，损耗角正切值为0.003 5，半径为42 mm，厚度0.8 mm。

(a) 俯视图

(b) 侧视图

图3(a)中，两个相互正交、长为L1的偶极子臂通过圆环连接，圆环内径为r1，宽为wr。设计天线的尺寸L1=36 mm，r1=5 mm，wr=0.6 mm。通过调节圆环的大小来实现电流90°相位差，得到一个圆极化波；长为L2的寄生单元用来产生与交叉偶极子频率相近的另一个圆极化波。

图3(b)中的两组正交臂分别印刷在介质的正、反面；同轴线的外导体通过金属空腔与介质板背面的正交臂相连，内导体穿过介质与介质板正面的正交臂连接。金属空腔的尺寸为160 mm×160 mm×50 mm，壁厚为1 mm，放置在距离天线Hc的位置，实现对天线后向辐射能量的反射，以提高天线增益。

2.2 寄生单元的确定

所设计天线是在交叉偶极子中引入寄生单元，产生一个与交叉偶极子相近频率的圆极化波，从而起到扩宽阻抗带宽和轴比带宽的作用。寄生单元的个数和位置对天线的性能至为重要。

(1)寄生单元个数的确定

为了确定所需寄生单元个数，采用CST软件分别对添加不同数量寄生单元的交叉偶极子圆极化天线进行了仿真，添加不同个数寄生单元天线的性能如图4所示。

(a) 回波损耗

(b) 轴比

图4(a)显示，未引入寄生单元，天线的阻抗带宽的范围为1.10 GHz～1.87 GHz；引入1个寄生单元，天线的阻抗带宽范围为1.13 GHz～2.12 GHz；引入2个寄生单元，天线的阻抗带宽范围为1.13 GHz～2.05 GHz。图4(a)显示，未引入寄生单元，天线的轴比带宽的范围为1.15 GHz～1.37 GHz；引入1个寄生单元，天线的轴比带宽范围为1.15 GHz～1.96 GHz；引入2个寄生单元，天线的轴比带宽范围为1.20 GHz～2.00 GHz。引入寄生单元后，天线的阻抗带宽和轴比带宽得到了改善。

从天线性能的改善效果上看，添加1个寄生单元和添加2个寄生单元区别并不明显，为了简化天线结构，本文选择只添加1个寄生单元。

(2)寄生单元位置的确定

确定寄生单元的个数之后，还需要确定添加寄生单元的位置。为此，将寄生单元放置在耦合区的不同位置，应用CST软件分别对天线的轴比进行仿真，寄生单元的位置和与之对应的天线轴比CST仿真结果分别如图5和图6所示。图5中位置#1和位置#3对称，位置#2和位置#4对称。

图5 寄生单元的位置

图6 不同位置寄生单元天线的轴比

从图6中可以看出，寄生单元放置于位置#1或#3时，天线轴比带宽的范围为1.15 GHz～2.05 GHz；寄生单元在位置#2或#4时，天线轴比带宽的范围为1.15 GHz～1.55 GHz，仅有400 MHz。这是因为两条振子臂之间的耦合不能满足电流等幅、相位相差90°要求而造成的，因此，选择在位置#1添加寄生单元。

2.3 寄生单元参数的优化

在确定了寄生单元的个数和位置之后，需要确定寄生单元的参数。

(1)确定寄生单元长度L2

用CST软件分别仿真了寄生单元长度L2分别为26 mm、29 mm和31 mm三种条件下天线的回波损耗和轴比，其结果如图7所示。

从图7(a)中可以看出，随着L2的减小，对交叉偶极子的谐振点没有影响，但寄生单元所产生的谐振点往高频处移动，拓宽了天线的阻抗带宽。图7(b)中，随着L2的减小，寄生单元产生的另一个轴比最小点所对应的频点向高频处移动。当L2=26 mm时，2个谐振点相隔较远，虽然阻抗带宽有了明显的展宽，但轴比在1.40 GHz～1.50 GHz的频带范围内已经大于3 dB，在这个频段范围内，天线圆极化性能不佳。为了有效地拓宽阻抗带宽和轴比带宽，取L2=29 mm。

(a) 回波损耗

(b)轴比

(2)寄生单元与振子臂间距g的确定

用CST软件分别仿真了g分别为0.8 mm、1.0 mm和1.2 mm三种条件下天线的回波损耗和轴比，其结果如图8所示。

从图8(a)可见，寄生单元与振子臂间距g取不同值，天线的回波损耗变化并不大。从图8(b)可见，当g=1.2 mm时，频率范围在1.40 GHz～1.60 GHz之间，天线的轴比不能满足小于3 dB的要求，在此频段范围内天线不能称为圆极化天线；随着g的减小，在1.40 GHz～1.60 GHz频率范围内天线的轴比越来越小，轴比带宽也在减小。当g=1.2 mm时，天线的轴比带宽范围为1.2 GHz～1.78 GHz。当g=1 mm时，在频率1.20 GHz～1.92 GHz的范围内天线的轴比小于3 dB，满足圆极化波辐射的要求。为此，本文选取振子臂间距g为1.0 mm。

(a) 回波损耗

(b) 轴比

3 仿真结果及分析

在使用CST软件，对寄生单元相关参数进行分析和优化之后，最终的天线仿真。

3.1 回波损耗和轴比

天线的阻抗带宽和轴比带宽分别如图9和图10所示。图9显示，所设计天线的阻抗带宽范围为1.12 GHz～2.11 GHz。图10显示，设计天线分别产生了一个1.20 GHz辐射的圆极化波和一个1.80 GHz辐射的圆极化波，最终设计天线的轴比带宽范围为1.16 GHz～2.00 GHz。

图9 设计天线的阻抗带宽

图10 设计天线的轴比带宽

3.2 方向图及增益

所设计天线在1.20 GHz、1.80 GHz的辐射增益和方向图随频率变化的曲线，如图11所示。

(a) 天线的增益

(b) 1.20GHz方向图

(c) 1.80GHz方向图

从图11(a)中可以看出，在1.16 GHz～2.00 GHz的频带范围内，天线增益均大于7.5 dBic，最大值为10.5 dBic。从图11(b)和图11(c)可以看出，天线在1.20 GHz和1.80 GHz两个谐振频点处方向图良好。

本文方法和文献[5]、文献[7]、文献[9]方法所设计天线指标的仿真结果对比如表1所示。

表1 不同方法天线的仿真结果对比

从表1中可以看出，和文献[5]相比，所设计天线的轴比带宽扩宽了16.9%，增益增加了7.5 dB。这是由于文献[5]中的天线没有反射腔结构，天线的后向辐射未被反射导致的。

文献[7]在高频处的圆极化波是通过在主辐射贴片上切角、开槽来实现的，由于主辐射贴片结构的限制，天线的轴比带宽只能拓宽27%。而本文所设计天线未改变主辐射贴片的结构，是通过添加寄生单元的方式，利用耦合作用拓宽轴比带宽，使所设计天线的轴比带宽比文献[7]增加了19.7%。

和文献[9]添加的4个寄生单元相比，所设计天线只用了1个寄生单元，简化了天线结构。虽然两者都是采用了添加寄生单元的方式来拓宽轴比带宽，但文献[9]的主辐射贴片采用传统形式的交叉偶极子天线，而所设计天线是将辐射贴片改为扇形结构之后才添加的寄生单元，因此，所设计天线比文献[9]的阻抗带宽和轴比带宽分别增加了16%和19%。

4 结语

基于自相移形式的圆极化交叉偶极子天线，通过在正交臂之间引入寄生单元的方法，设计了一种宽带圆极化天线。天线总体尺寸为160 mm×160 mm×50 mm。仿真结果验证，该天线的阻抗带宽范围为1.12 GHz～2.11 GHz，轴比带宽范围为1.16 GHz～2.00 GHz，天线在工作频段内圆极化辐射性能良好，具有较高的增益。