丁 航，陳凱亞，程友峰，廖 成

（西南交通大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610031）

0 引 言

近年來隨著衛(wèi)星通信、寬角掃描雷達、射頻識別等領域技術的發(fā)展，移動通信高性能天線的研制受到越來越多的關注。圓極化天線具有輻射效率高、抑制雨霧干擾及抗多徑反射等一系列的優(yōu)點，在衛(wèi)星通訊、指揮及控制系統(tǒng)、電子對抗、GPS 等眾多軍民領域中得以廣泛應用[1]。寬角度掃描相控陣系統(tǒng)需要在廣空域掃描的過程中保持高探測能力，要求天線單元具有寬波束角度覆蓋的特性，衛(wèi)星導航定位中低仰角的信號對于目標定位的精確性具有重要作用[2]。隨著通信技術的發(fā)展，通信設備尺寸也越來越小，小型化依然是天線設計的主要趨勢[3]。

為了展寬圓極化天線的波束寬度，國內外學者進行了相關研究并提出了一些方法，如采用微帶介質天線結構[4]，加載寄生環(huán)單元[5]、平面阿基米德螺旋天線[6]等方法。文獻[7]采用交叉偶極子外加金屬背腔反射器的結構。但該天線結構較復雜，需要饋電網(wǎng)絡實現(xiàn)圓極化特性，尺寸較大、剖面較高，不易于共形和集成在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。文獻[8]提出了一種應用于衛(wèi)星通信的基于超表面覆蓋層的寬帶耦合縫隙天線，天線具有低剖面和緊湊結構，實現(xiàn)了寬頻帶與寬軸比帶寬的特性。該天線結構參數(shù)對性能影響較大，優(yōu)化設計過程較復雜。HIS 結構是超材料周期性結構的一種，在微波設計中具有很高的研究價值，其具有同相反射相位特性，可應用在天線上減小其剖面高度，提高天線的工作帶寬，同時抑制天線主瓣與旁瓣之比以提高天線輻射效率[9-11]。

本文設計了一種基于高阻抗表面結構的寬波束圓極化微帶天線。在實現(xiàn)天線的寬軸比波束寬度特性與高前后比特性的同時，滿足衛(wèi)星通信終端天線的小型化與便攜移動的工作需求。該天線以方形微帶貼片作為輻射單元，使用同軸背饋的方式，采用設計的小型化HIS 陣列結構作為天線的反射器，使得該微帶圓極化天線在工作頻率為5.8 GHz 處E 面與H 面軸比波束寬度提升了30°～40°，實現(xiàn)了天線結構的低剖面與小型化設計。

1 天線設計原理

1.1 輻射貼片設計

本文設計的天線采用方形貼片作為輻射單元?；诳涨荒Ｐ屠碚摚?guī)則貼片的對角上切角給原空腔模型加入幾何微擾，微擾單元使矩形貼片的兩個極化正交的簡并模TM10模與TM01模分離，選取合適的尺寸會使兩個分量等幅，相位相差90°，從而實現(xiàn)圓極化輻射[11]。介質基片材質相對介電常數(shù)為2.65。微帶貼片結構如圖1所示。

圖1 微帶貼片圖示

1.2 小型化HIS 結構設計

圖2 為特定周期性結構的等效電路模型，利用電抗性元件周期性加載的傳輸線表示。高阻抗表面表示的電磁特性可由集總參數(shù)元件等效并聯(lián)LC 諧振電路來分析。傳統(tǒng)的蘑菇型HIS 結構如圖3a）所示，當其受到外界電磁能量激勵時，感應電流分布在表面結構與金屬化過孔上形成電感，金屬貼片邊緣集聚電荷使金屬貼片之間產(chǎn)生電容[12]。

圖2 周期性結構的等效電路圖

圖3 HIS 結構圖

具體的等效電路物理量計算公式為：式中：w表示金屬貼片的邊長；g表示金屬貼片之間的間隙長度；h表示介質基板的厚度。

HIS 結構的等效諧振電路的諧振頻率為：

圖3b）為設計的小型化HIS 單元結構。單元的結構參數(shù)分別為a，Ls，W s，h1，單元結構的間隙為gap，HIS 結構所在的介質層采用與微帶天線相同的材質。相比傳統(tǒng)的蘑菇型HIS 結構，此種小型化單元結構除去了金屬化過孔，采取在方形金屬片各邊上開雙槽的方式達到結構緊湊而簡單的特點。加載槽線通過增加結構的表面電流路徑來提高HIS 結構的等效電感，使得HIS 結構的諧振頻率降低。根據(jù)周期長度與諧振頻率的關系，從而實現(xiàn)HIS 結構的小型化，單元尺寸相比傳統(tǒng)蘑菇型結構減少了30%左右。

1.3 加載小型化HIS 結構反射器的天線設計

采用設計的小型化HIS 單元，經(jīng)過與普通金屬板反射器的面積比較，確定HIS 結構采用4×4 陣列形式，能夠有效減少HIS 結構單元數(shù)，實現(xiàn)整體天線的小型化設計。HIS 陣列結構與天線的距離為h3，經(jīng)過設計優(yōu)化表明其在距離微帶貼片0.029λ0的位置保持天線各項性能良好。加載HIS 結構后的天線整體結構如圖4所示。

圖4 天線整體結構圖

經(jīng)過對微帶貼片和高阻抗表面的物理結構參數(shù)仿真優(yōu)化得到滿足預期指標的各參數(shù)數(shù)值，記錄在表1 中。

表1 天線結構參數(shù)

2 天線仿真與分析

2.1 HIS 陣列結構拓展軸比波束寬度分析

圖5 和圖6 為未加載HIS 陣列結構與加載HIS 陣列結構的天線性能表現(xiàn)。

仿真結果顯示，加載小型化HIS 陣列結構后天線的-10 dB 阻抗帶寬為4.97%（5.69～5.98 GHz），3 dB 軸比帶寬為1.21%（5.76～5.83 GHz）。圖7 為加載與未加載HIS 結構的天線軸比方向圖，在E 面上軸比小于3 dB 波束寬度由原來的158.3°增加到205.3°，H 面上軸比小于3 dB 波束寬度由原來的165.4°增加到200.4°。實現(xiàn)在E 面與H 面上的寬軸比波束特性。軸比方向圖相比前者，曲線變得平緩，意味著在低仰角情況下天線對信號的接收響應會變好。采用設計的HIS 陣列結構作為反射器可抑制天線后瓣從而提高前后比，兼有拓寬軸比波束寬度的作用。

圖5 加載與未加載HIS 陣列結構的S11 曲線

圖6 加載與未加載HIS 陣列結構的遠場軸比曲線

2.2 基于HIS 陣列結構的方向圖對比

軟件仿真得到單獨微帶天線的方向圖與加載HIS陣列結構后的方向圖特性。圖8 顯示的為加載與未加載HIS 結構的天線輻射方向圖，可以看出，原微帶天線單元的最大增益為5.81 dB，加載HIS 結構后天線的最大增益提高到了6.99 dB，同時，天線的前后比由8.3 dB提高到了29.7 dB。結果表明輻射后瓣受到很好的抑制。

圖9 顯示的是加載HIS 陣列結構天線在工作頻率5.8 GHz 處xOz面與yOz面的主極化與交叉極化方向圖。相比微帶貼片，在后瓣方向上的天線交叉極化電平大大降低了。該天線輻射右旋圓極化波，在±90°范圍內交叉極化比大于30 dB，交叉極化電平很低，遠場輻射具有很好的極化純度。

圖7 加載與未加載HIS 陣列結構的軸比方向圖

圖8 加載與未加載HIS 陣列結構的增益方向圖

圖9 主極化與交叉極化方向圖

3 結 語

本文設計了一種基于小型化HIS 陣列結構反射器的寬軸比波束圓極化微帶天線。該天線的整體尺寸為0.68λ0×0.68λ0×0.08λ0，結構具有低剖面特性，天線方向圖具有較低的后瓣，能夠抵抗來自地面的電磁干擾。仿真結果表明，天線在5.8 GHz 處有良好的阻抗匹配與圓極化特性，在5.69 ～5.98 GHz 頻率范圍內的S11＜-10 dB，在5.76～5.83 GHz 頻率范圍內的AR＜3 dB。在5.8 GHz 處，前向最大增益為6.88 dB，前后比為29.7 dB。E 面與H 面滿足AR≤3 dB 的波束寬度為205.3°，200.4°。該天線具備寬軸比波束，低增益損失的特性，能夠應用于寬角掃描相控陣雷達和衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域。