高增益寬帶圓極化微帶天線(xiàn)陣研究

1 理論分析與設計
本文利用一般微帶天線(xiàn)的設計方法設計天線(xiàn)單元。并通過(guò)對微帶天線(xiàn)的匹配枝節進(jìn)行調節阻抗，利用An-soft HFSS軟件對天線(xiàn)單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設計，大大降低了天線(xiàn)陣的設計復雜度，并通過(guò)若干級二等分功率分配器便可設計出饋電網(wǎng)絡(luò )。
1.1 天線(xiàn)單元的設計
圓極化天線(xiàn)應用面很廣，其實(shí)用意義主要體現在：
(1)圓極化天線(xiàn)可接收任意極化的來(lái)波，且其輻射波也可由任意極化天線(xiàn)收到，故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線(xiàn)；
(2)在通信、雷達的極化分集工作和電子對抗等應用中廣泛利用圓極化天線(xiàn)的旋向正交性；
(3)圓極化波入射到對稱(chēng)目標(如平面、球面等)時(shí)旋向逆轉，因此圓極化天線(xiàn)應用于移動(dòng)通信、GPS等能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。
微帶天線(xiàn)要獲得圓極化波的關(guān)鍵是激勵起兩個(gè)極化方向正交的，幅度相等的且相位相差π/2的線(xiàn)極化波。最早的圓極化微帶天線(xiàn)采用正交饋電方式，但這種天線(xiàn)構成天線(xiàn)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)際應用。曲線(xiàn)微帶天線(xiàn)構成的寬頻帶圓極化微帶天線(xiàn)不采用開(kāi)放式的諧振腔，避開(kāi)了基于諧振系統的輻射。不但有較強的輻射功率，而且有較低的Q值，但是它需要很復雜的功分器組合電路形成圓極化饋電，不易實(shí)現，而且很難組陣。在采用邊饋微帶矩形貼片單元的基礎上，根據微擾法，用切角的方法產(chǎn)生兩種正交的TM10和TM01模式，來(lái)實(shí)現圓極化，切角尺寸約為λ/10，如圖1所示。這種設計方案使得天線(xiàn)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，所以要對輸入端口進(jìn)行阻抗變換。本文用單枝節匹配方法進(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(guò)改變單元在饋線(xiàn)上的位置可降低交叉極化。
1.3 單元結構尺寸的設計
單元示意圖如圖1所示，矩形微帶天線(xiàn)尺寸按下列公式確定：

式中：a為貼片長(cháng)度；b為貼片寬度;εe為等效介電常數；f0(λ0)為微帶天線(xiàn)工作的中心頻率(波長(cháng))；c為光速(3×108 m/s)。
在微帶天線(xiàn)中采用高介電常數的基板可以減小天線(xiàn)尺寸，但由于基板內存在表面波，尤其是當介質(zhì)板厚度和工作波長(cháng)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，導致天線(xiàn)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高次模。TM和TE模表面波的截止頻率分別為：

所以根據式(3)，選用介電常數εr=4.4的介質(zhì)基片，既能夠使天線(xiàn)的尺寸降低，又能夠保證天線(xiàn)的輻射效率。
1．4 饋電網(wǎng)絡(luò )的設計
本文設計的微帶天線(xiàn)陣列饋電系統采用的是并聯(lián)側饋，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，采用三級二等分功率分配器對陣元進(jìn)行饋電，使各天線(xiàn)陣元的饋電均為等幅同相。這樣的設計，結構簡(jiǎn)單，一致性好，能夠增加天線(xiàn)陣阻抗帶寬，且利于天線(xiàn)的實(shí)現。

2 天線(xiàn)陣的設計與實(shí)驗結果
根據以上設計的單元進(jìn)行組陣，單元數為8(2×4)。對不同天線(xiàn)陣列間距進(jìn)行了仿真設計，在頻率f0=2.45 GHz時(shí)，對陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時(shí)的天線(xiàn)方向圖進(jìn)行比較(圖2(a))，并且對陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時(shí)增益方向圖進(jìn)行比較(圖2(b))。