牛傳峰,張曉沖,李增科

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中華通信系統(tǒng)有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081)

0 引言

當前衛(wèi)星通信技術(shù)和無線通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，有時需要在惡劣環(huán)境下對高速目標實施跟蹤和通信，線極化天線無法有效減少多徑效應(yīng)，會嚴重影響整個系統(tǒng)的性能，而圓極化天線具有極化旋轉(zhuǎn)性，可以可靠而穩(wěn)定地工作。目前，對于如何讓天線保持圓極化高增益輻射的同時，還具有寬頻帶、高隔離度和小型化等特點[1-3]，很多學(xué)者在這方面開展了研究工作[4-6]。大多數(shù)圓極化陣列天線以微帶貼片天線為主，對于形成圓極化的結(jié)構(gòu)形式來說，有的是在輻射貼片上切角[7]，有的是通過開槽[8]、開縫[9]和加枝節(jié)[10]等方式來實現(xiàn)圓極化。微帶陣列天線的特點是低輪廓、小型化、低成本、易集成和方便共形等，但它有自身的一些缺點，比如極化隔離低、損耗大和輻射效率低。端口隔離度是極化分集通信系統(tǒng)中的一項很重要的指標，較差的端口隔離度將會嚴重影響通信質(zhì)量。

針對目前測控領(lǐng)域和衛(wèi)星通信對圓極化天線的增益、帶寬和端口隔離度等要求，介紹了一種高效率寬頻帶圓極化印刷板微帶振子陣列天線，工作于L/S頻段，天線陣由5個切邊矩形微帶貼片振子輻射單元組成，采用交叉正交激勵改善天線的交叉極化隔離度，采用陣列加背腔的方式提高輻射效率。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)天線單元結(jié)構(gòu)

(b)天線5單元組陣結(jié)構(gòu)

(c)天線5單元組陣三維圖圖1 外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Shape structure

輻射單元由4個矩形貼邊印刷板微帶振子組成，利用正交雙線極化激勵實現(xiàn)對輻射單元的饋電，探針可采用印制板敷銅結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。5單元組成的天線陣利用功分網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)5個單元的能量合成和外圍4個單元組成差路信號，用于跟蹤目標。背腔結(jié)構(gòu)保證了天線的定向輻射，探針正交放置，實現(xiàn)正交雙線極化激勵，匹配盤和微帶陣子之間留有間隙，調(diào)整匹配盤半徑和間隙大小可改善天線的駐波比，實現(xiàn)調(diào)諧。如圖1(a)所示，輻射單元的尺寸為L1=34.91 mm，L2=20 mm，L3=17.38 mm，介質(zhì)板與圓柱底座支撐處的小圓貼片半徑R1=4 mm，輻射單元的寬度W=77.58 mm，輻射單元距離背腔底面的距離H2=15.47 mm，匹配盤的半徑R2=15.47 mm，距離輻射單元的高度H1=3 mm。天線陣結(jié)構(gòu)中，每個輻射單元距中心輻射單元的間距為D=106.25 mm，選擇合適的單元間距可獲得較高的組陣效率。5單元天線陣呈十字交叉形式排列布陣，減小整體尺寸的前提下，在天線陣的下方增加一個半徑盡可能小的背腔，以此來減小邊緣繞射，提高天線的輻射效率。

采用連續(xù)相位旋轉(zhuǎn)法使得周圍4個陣元饋電相位依次相差90°，可以相互抵消高次模，降低陣元間的相互耦合，增強主極化分量，降低交叉極化分量，從而更好地改善天線軸比，實現(xiàn)圓極化輻射。背腔的半徑R3=230 mm，背腔外圍高度H3=37.98 mm。

天線的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中L1為陣子片的寬度，L2為陣子片未切邊長度，L3為陣子片切角斜線長度，W為整體輻射單元的寬度，R1為介質(zhì)板與圓柱底座支撐處的小圓貼片半徑，R2為匹配盤的的半徑，R3為背腔的半徑，D為每個輻射單元距中心輻射單元的間距，H1為匹配盤的距離輻射單元的高度，H2為輻射單元距離背腔底面的距離，H3為背腔外圍高度。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

1.2 仿真分析

天線的工作頻段為1.3～2.4 GHz，利用3D電磁場仿真軟件Ansoft HFSS 18進行全波分析和仿真優(yōu)化設(shè)計。由于此陣列天線要充當反射面天線的饋源，因此在饋源艙半徑為250 mm的前提下，進行了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，最終得到很好的結(jié)果。天線陣駐波比(VSWR)仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 VSWR仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of VSWR of antenna array

由圖2可以看出，在頻帶范圍內(nèi)VSWR不大于1.541，絕對帶寬達到1.1 GHz，相對帶寬達到59.5%，具有很好的阻抗帶寬。

天線軸比仿真結(jié)果圖3所示。

圖3 天線軸比仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of antenna axial ratio

由圖3可以看出，中心頻率軸比為0.177 9 dB，在59.5%的頻率帶寬內(nèi)，左右圓極化的軸比均在2 dB以下，表征了天線具有很好的極化效率和極化純度。

在頻帶內(nèi)，選取了高(2.4 GHz)、中(1.85 GHz)、低(1.3 GHz)三個頻點，計算出天線的和方向圖與差方向圖以及頻帶內(nèi)的增益曲線。頻帶內(nèi)頻點和方向圖如圖4所示。

在工作頻帶內(nèi)，該天線于Phi=0° ，Phi=90°兩個平面產(chǎn)生的方向圖均對稱，且產(chǎn)生穩(wěn)定的圓極化輻射。

(a)1.3 GHz和方向圖

(b)1.85 GHz和方向圖

(c)2.4 GHz和方向圖圖4 頻帶內(nèi)頻點和方向圖Fig.4 Frequency point and pattern in frequency band

頻帶內(nèi)頻點差方向圖如圖5所示。反映出該天線于Phi=0° ，Phi=90°兩個平面產(chǎn)生的差方向圖均對稱，且差波束零深均在-30 dB以下。

(a)1.3 GHz差方向圖

(b)1.85 GHz差方向圖

(c)2.4 GHz差方向圖圖5 頻帶內(nèi)頻點差方向圖Fig.5 Frequency difference pattern in frequency band

2 圓極化特性分析

雙極化電平和端口隔離度是圓極化天線的一項重要指標。實際工程中，由于陣列間輻射單元會產(chǎn)生相互耦合，如何有效減小耦合，降低端口隔離度是關(guān)系一個圓極化天線是否可用的一項重要參考條件。

端口隔離度如圖6所示。通過調(diào)節(jié)陣元之間的間距和背腔半徑來減少陣元之間的耦合，通過上下十字交叉饋線激勵來減小饋線寄生效應(yīng)，從而改善交叉極化端口隔離度。

圖6 端口隔離度Fig.6 Port isolation

由圖6可以看出，1.3 GHz時交叉極化電平為-38.9 dB；1.85 GHz時電平為-43.3 dB；2.4 GHz時電平為-34.7 dB。兩極化端口隔離度小于-38 dB，遠遠滿足工程-25 dB的指標要求。

3 增益和效率分析

由于研制需求，將其直徑設(shè)為4.5 m，焦徑比為0.42的反射面天線的饋源使用，并用GRASP10.0進行整體天線的仿真，得到天線增益曲線。天線增益隨頻率變化曲線如圖7所示。

圖7 天線增益隨頻率變化曲線Fig.7 Antenna gain versus frequency

由圖7可以看出，在頻帶內(nèi)，各頻點增益均大于33 dB，進而得到1.3 GHz時效率為54%，1.4 GHz時效率為66%，其余頻點達到70%以上，保證了天線在較寬的頻帶內(nèi)具有較高的效率。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種工作于L/S波段寬帶高效率雙圓極化背腔印刷板微帶振子陣列天線，具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，仿真結(jié)果表明，該天線在工作頻帶內(nèi)，絕對帶寬達到1.1 GHz，相對帶寬達到59.5%，交叉極化電平小于-34 dB，端口隔離度小于-38 dB。此外，天線具有良好的圓極化特性和較高輻射效率。此天線作為反射面天線的饋源，在測控領(lǐng)域和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中均具有良好的工程應(yīng)用前景。