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机载宽波束圆极化微带天线设计

刘亭亭1 钱祖平1 赵 菲2

(中国人民解放军理工大学通信工程学院 南京 210007)1

(国防科技大学电子科学工程学院 长沙 410073 )2

摘 要：本文研究设计了一种宽波束圆极化微带天线，该天线工作在L波段，采用圆贴片辐射单元和正交H缝隙耦合馈电技术。仿真结果表明：该天线在8MHz工作频带内VSWR≤1.05，轴比≤0.25dB；轴比小于3.0dB的空域覆盖范围达129°，在工作频段0dB增益覆盖范围达到120°，实现了超低驻波比和宽波束圆极化天线设计。该天线结构紧凑，可广泛应用于飞机等民用导航系统。 关键词；H缝隙耦合，圆极化，轴比，宽波束

Design of Airborne Board beam Circularly Polarized Microstrip Antenna

Liu Tingting, Qian Zuping, Zhao Fei

(Communication Engineering Institute of Science Technology University PLA, Nanjing 21007) 1

(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073) 2 Abstract: The board beam circularly polarized microstrip antenna is designed in L band. The circular radiation patch and the technique of orthogonal H-shape aperture couple are used. The simulation results show that: in 8MHz operation frequency band, the VSWR of the antenna is less than 1.05, the axial ratio is less than 0.25dB and is less than 3.0dB in 129°for space area, the gain is more than 0 dB in 120°for space area in operation frequency band. The super low VSWR and board beam circularly polarized antenna is achieved. The antenna which is compact can be widely used on plane, civil navigation system and so on.

Keywords: H-shape aperture couple, circularly polarized, axial ratio, board beam

介质板上，可以分别进行优化设计，且辐射部分与

1 引言

馈线部分由接地板隔开，馈线的寄生辐射弱，交叉极化水平低，更容易形成圆极化天线[2]。文献[6]设计

飞机在高速飞行过程中由于要与卫星时刻保持

出了基于矩形缝隙馈电的方贴片圆极化微带天线，

通信，所以对机载天线的性能要求很高。一般来说

文献[7]改进用H型缝隙馈电，使天线圆极化效果及

要求如下：高性能圆极化工作，高驻波比，宽波束，

后向辐射抑制比都有大幅度提高。

小体积、低剖面、便于携带和共形。

本文结合实际需求，设计了一种基于圆辐射贴

微带天线由于其本身具有结构简单、剖面低、

片的H形缝隙耦合的宽波束圆极化微带天线。通过

极化易控制、方向图覆盖范围广、制造容易 [1][2]，并

Wilkinson功分器向两个正交安置的H缝隙进行馈

且可以与微带电路集成在一起，工业制造简单等特

电，在继承该类结构宽频带性能的基础上，在需要[3][4]

点, 从而广泛应用于测量和通讯等各个领域。此

的工作频带内进一步使主方向轴比小于0.2dB，输入

类天线的特性完全满足机载天线的基本要求，特别

驻波比小于1.05，方向图有效覆盖范围达120°。

适合作为共形天线附着在飞机表面进行工作。

Pozar于1985年提出缝隙耦合馈电技术[5]。缝隙耦合结构的馈电网络和无源辐射单元分别装在两个

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2 性能指标与天线结构

现有如下指标要求：

工作频带：1.985±0.004 GHz 反射系数：≤-25dB

极化形式：左旋圆极化，轴比≤1 dB 增益：120°范围内≥0 dB

根据以上要求，研究设计了一种天线，结构如图1所示：

天天天天天r_a天天天天天天h, ε天天天天天h0, ε天天天天天天天t天天天天天h1, ε天天天天天天天天天天天t 天天天天天100天天

(a) 天线侧视图

天天w2_2hh_L2slot_w2L2l_to22l_sd1天天_h_wd11L11wslot_l1_toh_Lls1

(b) 天线俯视透视图

图1 天线结构

H形缝隙耦合的宽波束圆极化微带天线结构如图1所示，由下至上分别为：馈电网络、底板层、缝隙层、空气层、天线基板层和辐射贴片层。天线工作原理如下：由Wilkinson功分器对两个正交的H形缝隙进行馈电，以提高端口隔离度，改善圆极化性能；功分器采用100?隔离电阻，以吸收因端口阻抗不匹配而引起的反射能量，从而扩展阻抗带宽；功分器等功分输出，其中一输出臂通过延长λg/4长的微带线来获得90°相差，能量从微带线通过缝隙耦合到圆贴片，激励起幅度相等、相位差90°，极222

化方向相互正交的TM11模。如此采用多层介质、缝隙耦合及馈电网络综合技术实现微带天线的宽带圆极化性能。

3 分析设计

上层介质板的媒质参数影响天线的阻抗频带宽度、极化频带宽度及圆极化波束宽度：介电常数εr2越低，厚度h越厚，频带越宽，圆极化波束覆盖范围越大[2]；下层介质板一般采用较薄的高介电常数介质板，增强介质对场的束缚来减小后向辐射，同时减小背面馈电微带线宽从而减少馈线杂散辐射的干扰[7]。Vivek用实验的方法证明[8]，采用H形的缝隙较其他形状缝隙，可以在保障较大耦合量的基础上，大大缩减缝隙面积，从而减小缝隙耦合结构的背向辐射。

160 d1=8mm140 d1=10mm120 d1=12mm d1=14mm)gim100O( 80ecna60tsis40R200-201.81.92.02.12.2(a) Frequency (GHz) 缝隙1

140120 d2=8mm d2=10mm)100 d2=12mmgim d2=14mmO(80 ecna60tsise40R200-201.81.92.02.12.2Frequency (GHz)

(b) 缝隙2

图2 缝隙端口输入电阻随缝隙偏移量变化曲线

通过改变辐射贴片形状发现：辐射贴片采用圆形结构，较方形贴片能够改善端口隔离度6dB以上，这有利于改善天线圆极化性能。圆贴片半径r_a决定天线的谐振频率，但是缝隙的耦合使其谐振长度与理论值有较大的偏移，因此贴片尺寸需要与缝隙尺

寸一起进行设计。底层板与空气层之间的接地板上刻有正交排列的两个H缝隙，其排列位置与结构尺寸如图1(a)所示，如此排列方式较文献[9]排列，可以有效提高两个缝隙间的隔离度；缝隙长度slot_l1和slot_l2对谐影响振频率和谐振电阻[7][10][11]：长度增长，谐振频率降低，谐振电阻增加，这表明缝隙长度越长，贴片与馈线之间能量耦合能力增强；缝隙宽度slot_w1、slot_w2及缝隙末端尺寸h_w1、h_w2、h_l1、h_l2对天线都具有类似的影响。

两个缝隙的位置对天线性能的影响如图2(a)、(b)所示，随缝隙相对于辐射圆贴片中心偏移量d1，d2的增加，两个端口输入谐振频率都升高，同时天线的输入阻抗降低，并且缝隙1随位置变化带来的缝隙端口性能变化明显敏感于缝隙2。

-40 d1=10.5mm-45 d1=11.5mm d1=12.5mm d1=13.5mm-50)Bd( n-55oitalosI-60-65-701.01.52.02.53.0Frequency (GHz)

图3 端口隔离度随缝隙偏移量变化曲线

当双端口共同激励该结构天线时，要避免一端口激励的高次模TM21耦合到另一端口造成极化交叉干扰，因此为达到有良好的圆极化性能和带宽，就要保证端口隔离度在20dB以上[9]。该天线通过采用圆辐射贴片，选用缝隙耦合馈电方式，优化缝隙位置，使端口隔离在工作频段内达到48dB以上，其中最大隔离度接近60dB。图3显示了端口隔离度随d1变化的一组曲线，可见当两缝隙间距增大时，隔离度也随着增大。终端开路枝节L1和L2，其作用相当于馈线终端串联电感，可用来调整端口输入感抗。该缝隙馈电结构天线，为了展宽带宽大都使用空气或泡沫填充天线的上层介质板[7][13]。

4 仿真优化

鉴于以上分析，本天线底层板选用厚度h1=0.726mm，介电常数εr1=2.55的介质板，作为微带Wilkinson功分器的介质衬底；天线基板选用其厚

度h=0.93mm，介电常数εr2=2.2的介质板；辐射天线采用半径为r_a的圆形辐射贴片。

在电磁仿真软件CST2006B辅助下，经过对各个参数反复优化设计，最终得到天线结构参数：r_a= 33.2mm、slot_l1=15.5mm、slot_2=14.1mm、slot_w1= 0.7mm、slot_w2=0.9mmh_w1=2.0mm、h_w2=2.0mm、h_l1=2.0mm、h_l2=2.0mm、d1=11.5mm、d2=12mm、L1=9.0mm、L29.1mm。

所得驻波仿真结果如图4所示，在指定工作频段内，VSWR≤1.05， VSWR≤2时频带为1.662～2.374GHz，带宽达到了35.9%，该天线同时也实现了超宽带的设计；天线左旋轴比带宽仿真结果如图5所示，轴比小于3dB频带为1.815～2.385GHz，带宽达到了28.7%，在指定工作频段内，轴比小于0.1dB。

2.0 VSWR1.81.6RWSV1.41.21.01.81.92.02.12.2Frequency (GHz) 图4 天线驻波特性 5 AR oi4taR laixA32101.81.92.02.12.2Frequency (GHz)

图5 轴比频带宽特性

天线在中心工作频点辐射性能如图6所示，该天线增益可达8.6dB，半功率波束宽60°，0dB以上增益覆盖范围达到120°,背瓣小于15dB，可通过增加金属背腔进一步减小背向辐射，提高天线增益，由Phi=0°和Phi=90°方向图的一致性可知：该天线具有良好的旋转对称辐射特性。天线在中心工作频点左旋圆极化轴比空域分布特性如图7所示：在主辐射方向，天线轴比优于0.1dB，轴比小于3dB覆盖空域达到129°。

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