高增益寬帶圓極化微帶天線陣研究

1 理論分析與設(shè)計(jì)
本文利用一般微帶天線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)天線單元。并通過對(duì)微帶天線的匹配枝節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)阻抗，利用An-soft HFSS軟件對(duì)天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了天線陣的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并通過若干級(jí)二等分功率分配器便可設(shè)計(jì)出饋電網(wǎng)絡(luò)。
1.1 天線單元的設(shè)計(jì)
圓極化天線應(yīng)用面很廣，其實(shí)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(dá)的極化分集工作和電子對(duì)抗等應(yīng)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(duì)稱目標(biāo)(如平面、球面等)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)，因此圓極化天線應(yīng)用于移動(dòng)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(guān)鍵是激勵(lì)起兩個(gè)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(gòu)成天線陣元時(shí)，饋電電路之間會(huì)引起不希望有的耦合，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。曲線微帶天線構(gòu)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(qiáng)的輻射功率，而且有較低的Q值，但是它需要很復(fù)雜的功分器組合電路形成圓極化饋電，不易實(shí)現(xiàn)，而且很難組陣。在采用邊饋微帶矩形貼片單元的基礎(chǔ)上，根據(jù)微擾法，用切角的方法產(chǎn)生兩種正交的TM10和TM01模式，來實(shí)現(xiàn)圓極化，切角尺寸約為λ/10，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)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(duì)微帶貼片進(jìn)行饋電，由于貼片的邊緣阻抗并不是50 Ω，所以要對(duì)輸入端口進(jìn)行阻抗變換。本文用單枝節(jié)匹配方法進(jìn)行阻抗匹配，采用的這種方式饋電有以下特點(diǎn)：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(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
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(zhǎng)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(zhǎng))；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(nèi)存在表面波，尤其是當(dāng)介質(zhì)板厚度和工作波長(zhǎng)可相比擬時(shí)，表面波的影響就不能被忽略。這樣在采用厚基板的時(shí)候盡管可以拓寬頻帶，但由于表面波損耗的增大，導(dǎo)致天線輻射效率下降。所以在選擇介質(zhì)基板厚度時(shí)，要盡可能地避免激勵(lì)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的微帶天線陣列饋電系統(tǒng)采用的是并聯(lián)側(cè)饋，即利用多個(gè)功率分配器就可將輸入功率平均分配到各個(gè)陣元。為了保證各陣元的饋電相位為同相饋電，采用三級(jí)二等分功率分配器對(duì)陣元進(jìn)行饋電，使各天線陣元的饋電均為等幅同相。這樣的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一致性好，能夠增加天線陣阻抗帶寬，且利于天線的實(shí)現(xiàn)。

2 天線陣的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上設(shè)計(jì)的單元進(jìn)行組陣，單元數(shù)為8(2×4)。對(duì)不同天線陣列間距進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，在頻率f0=2.45 GHz時(shí)，對(duì)陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時(shí)的天線方向圖進(jìn)行比較(圖2(a))，并且對(duì)陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時(shí)增益方向圖進(jìn)行比較(圖2(b))。