高增益寬帶圓極化微帶天線陣研究

O 引 言
    隨著微帶天線技術的發(fā)展，新形式和新性能的微帶天線不斷涌現(xiàn)。對于便攜式天線，就需要天線在尺寸上更小，并且天線在電性能上更要求寬頻帶、高增益等電特性。前人在天線的這些性能的改進上做了相當多的工作，但是大多數(shù)都是只在其中的一個或者兩個特性上做了改進。針對現(xiàn)有存在的問題，本文提出一種具有小型化、高增益、寬頻帶的圓極化微帶陣列天線。研制了S波段小型化寬帶圓極化天線陣實驗樣機，并對天線陣實驗樣機的電特性進行了測量。測量結果表明，天線最大增益為15dB時，天線陣尺寸僅為295 mm×210 mm，天線陣的電壓駐波比帶寬達到了12.25％，圓極化軸比小于3 dB，帶寬達到9.4％，大于文獻[1]中的3.4 %。且波瓣寬度分別為64°和20°大于文獻[1]中所提到的63°和9°

1 理論分析與設計
    本文利用一般微帶天線的設計方法設計天線單元。并通過對微帶天線的匹配枝節(jié)進行調節(jié)阻抗，利用An-soft HFSS軟件對天線單元進行仿真優(yōu)化設計，大大降低了天線陣的設計復雜度，并通過若干級二等分功率分配器便可設計出饋電網絡。
1.1 天線單元的設計
    圓極化天線應用面很廣，其實用意義主要體現(xiàn)在：
    (1)圓極化天線可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線收到，故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線；
    (2)在通信、雷達的極化分集工作和電子對抗等應用中廣泛利用圓極化天線的旋向正交性；
    (3)圓極化波入射到對稱目標(如平面、球面等)時旋向逆轉，因此圓極化天線應用于移動通信、GPS等能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。
    微帶天線要獲得圓極化波的關鍵是激勵起兩個極化方向正交的，幅度相等的且相位相差π/2的線極化波。最早的圓極化微帶天線采用正交饋電方式，但這種天線構成天線陣元時，饋電電路之間會引起不希望有的耦合，從而限制了它的實際應用。曲線微帶天線構成的寬頻帶圓極化微帶天線不采用開放式的諧振腔，避開了基于諧振系統(tǒng)的輻射。不但有較強的輻射功率，而且有較低的Q值，但是它需要很復雜的功分器組合電路形成圓極化饋電，不易實現(xiàn)，而且很難組陣。在采用邊饋微帶矩形貼片單元的基礎上，根據(jù)微擾法，用切角的方法產生兩種正交的TM10和TM01模式，來實現(xiàn)圓極化，切角尺寸約為λ/10，如圖1所示。這種設計方案使得天線外形更為小巧，使用也更加靈活。

1.2 饋電方式
    本文采用邊緣饋電方式對微帶貼片進行饋電，由于貼片的邊緣阻抗并不是50 Ω，所以要對輸入端口進行阻抗變換。本文用單枝節(jié)匹配方法進行阻抗匹配，采用的這種方式饋電有以下特點：陣元的主平面方向圖寬；容易饋電，非常適合組陣；通過改變單元在饋線上的位置可降低交叉極化。
1.3 單元結構尺寸的設計
    單元示意圖如圖1所示，矩形微帶天線尺寸按下列公式確定：

   
式中：a為貼片長度；b為貼片寬度;εe為等效介電常數(shù)；f0(λ0)為微帶天線工作的中心頻率(波長)；c為光速(3×108 m/s)。
    在微帶天線中采用高介電常數(shù)的基板可以減小天線尺寸，但由于基板內存在表面波，尤其是當介質板厚度和工作波長可相比擬時，表面波的影響就不能被忽略。這樣在采用厚基板的時候盡管可以拓寬頻帶，但由于表面波損耗的增大，導致天線輻射效率下降。所以在選擇介質基板厚度時，要盡可能地避免激勵高次模。TM和TE模表面波的截止頻率分別為：

   
所以根據(jù)式(3)，選用介電常數(shù)εr=4.4的介質基片，既能夠使天線的尺寸降低，又能夠保證天線的輻射效率。
1．4 饋電網絡的設計
    本文設計的微帶天線陣列饋電系統(tǒng)采用的是并聯(lián)側饋，即利用多個功率分配器就可將輸入功率平均分配到各個陣元。為了保證各陣元的饋電相位為同相饋電，采用三級二等分功率分配器對陣元進行饋電，使各天線陣元的饋電均為等幅同相。這樣的設計，結構簡單，一致性好，能夠增加天線陣阻抗帶寬，且利于天線的實現(xiàn)。

2 天線陣的設計與實驗結果
    根據(jù)以上設計的單元進行組陣，單元數(shù)為8(2×4)。對不同天線陣列間距進行了仿真設計，在頻率f0=2.45 GHz時，對陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時的天線方向圖進行比較(圖2(a))，并且對陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時增益方向圖進行比較(圖2(b))。

    圖2所示的是天線在中心頻率時不同陣列間距時的xoz面(圖2a)和yoz面(圖2b)的方向圖，由圖2可見在陣列間距為0.55λ時方向圖對稱并且方向圖的后向輻射幅度比較小，由圖3可見在陣列間距為O.55λ時天線陣的增益最高，所以在設計天線時選擇陣列間距為0.55λ。圖3給出了天線陣的樣機圖。
2.1 Smith圓圖和駐波曲線的測量
    用HP8753D矢量網絡分析儀對該天線陣的Smith圓圖和駐波曲線以及天線的軸比進行了測量，測量結果如圖4及表1所示。

    由圖4(b)可知天線的電壓駐波比小于2的帶寬為300 MHz，達到12.25％，軸比帶寬為200 MHz，達到9.4％。在要求的頻帶內阻抗特性、圓極化特性良好，滿足通信系統(tǒng)的要求。
2．2 方向圖和增益的測量
    在微波暗室、遠區(qū)條件下，用自制的天線遠場自動測量系統(tǒng)對該天線的方向圖進行了實測。在頻率f0=2.45 GHz時，圖5對實測的xoz面方向圖、yoz面方向圖和仿真方向圖進行了比較。可以看出實驗結果與仿真結果一致性良好，3 dB帶寬分別為64°(圖5(a)φ=0°，xoz面)和20°(圖5(b)φ=90°，yoz面)，實測增益為15 dB，實現(xiàn)了高增益，與仿真結果基本一致。

3 結 語
    本文研究了S波段小型化寬帶圓極化天線陣的設計方法，討論了陣列間距與天線方向圖之間的關系，論述了微帶天線陣饋電網絡工程實現(xiàn)途徑，并研制了S波段小型化寬帶圓極化天線陣實驗樣機，并對天線陣實驗樣機的電特性進行了測量，測量結果表明，天線增益為16 dB時，天線陣尺寸僅為295 mm×210 mm，天線陣的阻抗帶寬達到了300 MHz，圓極化軸比小于3 dB，帶寬為150 MHz，測試數(shù)據(jù)充分說明了該天線陣具有尺寸小、高增益、寬頻帶特性，從而驗證了設計方法的有效性。研究成果可應用于工程實際，且具有很高的實用價值和推廣價值。