高增益宽带圆极化微带天线阵研究
O 引 言 随着微带天线技术的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现。 对于便携式天线，就需要天线在尺寸上更小，并且天线在电性能上更要求宽频 带、高增益等电特性。前人在天线的这些性能的改进上做了相当多的工作，但 是大多数都是只在其中的一个或者两个特性上做了改进。针对现有存在的问题， 本文提出一种具有小型化、高增益、宽频带的圆极化微带阵列天线。研制了 S 波段小型化宽带圆极化天线阵实验样机，并对天线阵实验样机的电特性进行了 测量。测量结果表明，天线最大增益为 15dB 时，天线阵尺寸仅为 295 mm×210 mm，天线阵的电压驻波比带宽达到了 12.25％，圆极化轴比小于 3 dB，带宽达 到 9.4％，大于文献[1]中的 3.4 %。且波瓣宽度分别为 64°和 20°大于文献[1]中 所提到的 63°和 9°1 理论分析与设计 本文利用一般微带天线的设计方法设计天 线单元。并通过对微带天线的匹配枝节进行调节阻抗，利用 An-soft HFSS 软件 对天线单元进行仿真优化设计，大大降低了天线阵的设计复杂度，并通过若干 级二等分功率分配器便可设计出馈电网络。1.1 天线单元的设计 圆极化天线应 用面很广，其实用意义主要体现在：
(1)圆极化天线可接收任意极化的来波，
且其辐射波也可由任意极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天 线；
(2)在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天
线的旋向正交性； (3)圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转， 因此圆极化天线应用于移动通信、GPS 等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。
微
带天线要获得圆极化波的关键是激励起两个极化方向正交的，幅度相等的且相 位相差 π/2 的线极化波。最早的圆极化微带天线采用正交馈电方式，但这种天 线构成天线阵元时，馈电电路之间会引起不希望有的耦合，从而限制了它的实 际应用。曲线微带天线构成的宽频带圆极化微带天线不采用开放式的谐振腔，
避开了基于谐振系统的辐射。不但有较强的辐射功率，而且有较低的 Q 值，但 是它需要很复杂的功分器组合电路形成圆极化馈电，不易实现，而且很难组阵。 在采用边馈微带矩形贴片单元的基础上，根据微扰法，用切角的方法产生两种 正交的 TM10 和 TM01 模式，来实现圆极化，切角尺寸约为 λ/10，如图 1 所示。 这种设计方案使得天线外形更为小巧，使用也更加灵活。
1.2 馈电方式 本文采用边缘馈电方式对微带贴片进行馈电，由于贴片的边缘 阻抗并不是 50 Ω，所以要对输入端口进行阻抗变换。本文用单枝节匹配方法进 行阻抗匹配，采用的这种方式馈电有以下特点：阵元的主平面方向图宽；容易 馈电，非常适合组阵；通过改变单元在馈线上的位置可降低交叉极化。1.3 单 元结构尺寸的设计 定：
式中：a 为贴片长度；b 为贴片宽度;εe 为等效介电常数；f0(λ0)为微带天线 工作的中心频率(波长)；c 为光速(3×108 m/s)。 在微带天线中采用高介电常数 的基板可以减小天线尺寸，但由于基板内存在表面波，尤其是当介质板厚度和 工作波长可相比拟时，表面波的影响就不能被忽略。这样在采用厚基板的时候 尽管可以拓宽频带，但由于表面波损耗的增大，导致天线辐射效率下降。所以 在选择介质基板厚度时，要尽可能地避免激励高次模。TM 和 TE 模表面波的 截止频率分别为：
所以根据式(3)，选用介电常数 εr=4.4 的介质基片，既能够使天线的尺寸降 低，又能够保证天线的辐射效率。1．4 馈电网络的设计 本文设计的微带天线 阵列馈电系统采用的是并联侧馈，即利用多个功率分配器就可将输入功率平均 分配到各个阵元。为了保证各阵元的馈电相位为同相馈电，采用三级二等分功 率分配器对阵元进行馈电，使各天线阵元的馈电均为等幅同相。这样的设计， 结构简单，一致性好，能够增加天线阵阻抗带宽，且利于天线的实现。
单元示意图如图 1 所示，矩形微带天线尺寸按下列公式确
2 天线阵的设计与实验结果 根据以上设计的单元进行组阵，单元数为 8(2×4)。 对不同天线阵列间距进行了仿真设计，在频率 f0=2.45 GHz 时，对阵列间距为 0.55λ，0.6λ，0.65λ 时的天线方向图进行比较(图 2(a))，并且对阵列间距为 0.55λ，0.6λ，0.65λ 时增益方向图进行比较(图 2(b))。 tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。仅供参阅！