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摘 要 提供了一种用于卫星通信的S波段宽带圆极化微带天线阵的设计方法，采用口径耦合馈电，利用连续相位旋转法实现圆极化工作，并增加空气基板展宽其工作带宽。在此设计基础上制作了天线阵实物，实测1.5的阻抗带宽为23.8%，最大增益为14.5dB。
关键词 宽带；圆极化；口径耦合；微带天线阵
中图分类号：TN965.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0009-03
近年来，卫星通信设备在S 波段大量涌现，且都向着集成化、宽带的通信体制方向发展。大多数通信体制要求天线在带宽大于20%的范围内具有高纯度的圆极化特性，且天线还应具备小体积、轻重量、低剖面、易与通信设备集成、方便携带等特点，这给卫星通信设备天线的研究带来了严峻的挑战。
微带天线具有小体积、轻重量、低剖面、易集成、多样化的馈电形式和极化方式等诸多优点，在卫星通信领域备受亲睐。但微带天线是谐振类天线，品质因数高、带宽很窄，因此，有大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。文献[2]采用斜对角线馈电的方式实现了圆极化工作，获得了6.8%的相对阻抗带宽；文献[3]采用多层介质耦合馈电结构设计了一种新型的宽带圆极化微带天线，阻抗带宽达到了14.3%。文献[4][5]分别设计了由线极化单元合成圆极化的阵列天线以及宽带的共面波导馈电形式的圆极化天线。以上文献介绍的天线频带都有不同程度的扩展，但都存在结构复杂、不易加工、难集成、不适合在阵列天线中应用的缺点。为了满足S 波段卫星通信体制的苛刻要求，采用口径耦合馈电，运用连续相位旋转法实现圆极化工作，增加空气层展宽天线带宽的方式设计出四元微带天线阵。最后制作了天线阵实物，实测和仿真结果吻合较好，从而验证了该方法的正确性和实用性。
1 天线单元设计
1.1 天线单元的设计
图1（a）为天线单元的侧视图，图1（b）为天线单元的俯视图。方形切角辐射贴片作为激励元倒置于εr1=2.2，h1=1 mm的聚四氟乙烯板的下面，这样布置一方面使低介电常数的基板增加了天线带宽，另一方面使介质板起到了天线罩的作用。εr2=3.38，h2=0.305 mm的陶瓷碳氢混合物板上面是开缝接地板，接地板中心处刻有H型缝隙结构。两层介质板之间引入介电常数为1.006的空气基板，从而增加了基板的总体厚度，降低了天线的Q值，扩展了天线带宽。高介电常数的陶瓷碳氢混合物薄基板结合空气层可以抑制高次模和表面波的激励，并对已产生的高次模和表面波有束缚作用。为了减少H型缝隙所引起的背向辐射，在接地板下方加了一层金属反射板。
根据Pozar提出的口径耦合天线理论，可以计算出天线单元的基本参数。
谐振频率主要由决定。把谐振频率带入公式（1）至（5），从而得到设计初值。利用电磁仿真软件建模，通过优化设计参数得到满足电性能指标的结构尺寸。
1.2 天线单元的仿真结果
优化后天线单元主要参数如表1所示。天线单元的驻波比和轴比特性曲线分别如图2、图3所示。
由图3中可以看出，天线单元3 dB轴比带宽为178 MHz。因此，在工作频带内，圆极化特性和阻抗匹配特性良好，可以作为天线阵列的单元。
2 天线阵列设计
2.1 阵列天线的馈电网络设计
设计的馈电网络采用了多节λ/4波长阻抗变换器以便展宽频带，其中1、2、3、4是馈电端，通过口径耦合的方式分别给对应的天线单元馈电，如图4所示。采用该馈电网络既可以与50欧姆的输入端进行阻抗匹配，也可以在相邻的天线馈线端产生90°的相位差，且能保证对每个天线单元进行等功率馈电。这样的串并馈相结合的馈电网络分布，空间布局合理紧凑，与传统的并联型馈电网络相比，馈电路径长度较短，辐射单元与馈线间的相互影响较小，馈电比较均衡，易于工程实现，可以满足天线阵宽带和高增益的要求。
2.2 阵列的设计
在串并馈相结合的馈电网络分布基础上，采用连续相位旋转法的阵列天线技术，对天线单元依次旋转90°进行组阵。设计中辐射单元方向正交，这样辐射场分量也相互正交，可以有效地消除高次模所引入的交叉极化，可以显著地改善阵列天线的圆极化纯度和轴比带宽。因此，利用四个圆极化天线单元连续旋转再次组合成圆极化天线阵列，不仅能在原圆极化元获得频带的基础上扩展更宽的频带，更有利于其在低剖面阵列中的集成应用。
2.3 阵列的仿真与实测结果
基于以上设计，对该天线阵进行了电磁仿真和参数优化，得到阵列天线的VSWR、轴比和方向图曲线，并根据优化参数制作了阵列天线实物，并在微波暗室对天线阵进行了测试。驻波比实测与仿真对比结果如图5所示，实测结果比仿真结果略向高频偏移，在1.85 GHz～2.35 GHz频率范围内VSWR≤1.5，相对阻抗带宽约为23.8%。
阵列天线实物如图6所示。图7给出了阵列天线在2.1 GHz频率处实测与仿真的E面和H面方向图对比结果。在2.1 GHz频率处，E面方向图和H面方向图十分对称，且具有宽波束特性，
天线阵主瓣宽度E面约为31.2°，H面约为31.2°。实测天线阵最大增益为14.5 dB，第一旁瓣电平为-12.6 dB。从图8可以看出在2.1 GHz频率处，天线阵轴比保持在1.2 dB。阵列天线实测和仿真结果趋势一致，从而验证了该宽带圆极化天线阵设计方法的正确性。
3 结论
结合S波段卫星通信，提供了一种设计宽带圆极化微带天线阵的设计方法，为验证该方法的正确性和实用性，在理论设计的基础上，根据电磁仿真软件的优化参数制作了天线阵实物，实测结果与仿真结果吻合较好。该天线阵结构简单、易于加工、成本低廉，可满足S波段卫星通信设备的宽带和集成化应用。
参考文献 [1]D. M. Pozar and D. H. Schaubert， Eds.， Microstrip Antennas， the Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays. Piscataway， NJ：IEEE Press， 1995.
[2]Wong K L， Wu J Y. Bandwidth enhancement of circularly-polarised microstrip antenna using chip resistor loading[J].Electron Lett， 1997， 33（21） ：
1749-1751.
[3]朱莉，王光明，高向军，等.一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J].微波学报，2008，24（3）：21-24.
[4]Wu Jun Wen， Lu Jun Han. Circularly Polarized Patch An- tenna Arrays With Broadband Operation [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003（5）：
360-363.
[5] Chen Jen， Huang Chung Shao， H su Powen. Circularly
Polarized Patch Antenna Array Fed by Coplanar Waveguide [J]. IEEE Trans on AP， 2004（6）： 1067-1069.
[6]徐永杰，姜兴.用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带天线阵[J].电子技术应用，2010（6）：146-150.
[7] Huang J. A Ka-band circularly polarized high gain microstrip array antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1995， 43（1）： 123-116.
[8] Ramesh Garg， Prakash Bhartia， Inder Bahl， A.Ittipiboon Microstrip Antenna Design Handbook. Norwood：Artech House Inc， 2001.
[9]徐永杰，姜兴.Ku频段宽带双频双极化微带天线阵的设计[J].电波科学学报，2010，25（1）：146-150.
作者简介
郭锋（1983-），女，河南南阳市人，工程师，研究方向：天线理论与技术、微波器件与电路等。
徐永杰（1981-），女，内蒙古赤峰市人，工程师，研究方向：天线理论与技术、微波器件与电路等。
关键词 宽带；圆极化；口径耦合；微带天线阵
中图分类号：TN965.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0009-03
近年来，卫星通信设备在S 波段大量涌现，且都向着集成化、宽带的通信体制方向发展。大多数通信体制要求天线在带宽大于20%的范围内具有高纯度的圆极化特性，且天线还应具备小体积、轻重量、低剖面、易与通信设备集成、方便携带等特点，这给卫星通信设备天线的研究带来了严峻的挑战。
微带天线具有小体积、轻重量、低剖面、易集成、多样化的馈电形式和极化方式等诸多优点，在卫星通信领域备受亲睐。但微带天线是谐振类天线，品质因数高、带宽很窄，因此，有大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。文献[2]采用斜对角线馈电的方式实现了圆极化工作，获得了6.8%的相对阻抗带宽；文献[3]采用多层介质耦合馈电结构设计了一种新型的宽带圆极化微带天线，阻抗带宽达到了14.3%。文献[4][5]分别设计了由线极化单元合成圆极化的阵列天线以及宽带的共面波导馈电形式的圆极化天线。以上文献介绍的天线频带都有不同程度的扩展，但都存在结构复杂、不易加工、难集成、不适合在阵列天线中应用的缺点。为了满足S 波段卫星通信体制的苛刻要求，采用口径耦合馈电，运用连续相位旋转法实现圆极化工作，增加空气层展宽天线带宽的方式设计出四元微带天线阵。最后制作了天线阵实物，实测和仿真结果吻合较好，从而验证了该方法的正确性和实用性。
1 天线单元设计
1.1 天线单元的设计
图1（a）为天线单元的侧视图，图1（b）为天线单元的俯视图。方形切角辐射贴片作为激励元倒置于εr1=2.2，h1=1 mm的聚四氟乙烯板的下面，这样布置一方面使低介电常数的基板增加了天线带宽，另一方面使介质板起到了天线罩的作用。εr2=3.38，h2=0.305 mm的陶瓷碳氢混合物板上面是开缝接地板，接地板中心处刻有H型缝隙结构。两层介质板之间引入介电常数为1.006的空气基板，从而增加了基板的总体厚度，降低了天线的Q值，扩展了天线带宽。高介电常数的陶瓷碳氢混合物薄基板结合空气层可以抑制高次模和表面波的激励，并对已产生的高次模和表面波有束缚作用。为了减少H型缝隙所引起的背向辐射，在接地板下方加了一层金属反射板。
根据Pozar提出的口径耦合天线理论，可以计算出天线单元的基本参数。
谐振频率主要由决定。把谐振频率带入公式（1）至（5），从而得到设计初值。利用电磁仿真软件建模，通过优化设计参数得到满足电性能指标的结构尺寸。
1.2 天线单元的仿真结果
优化后天线单元主要参数如表1所示。天线单元的驻波比和轴比特性曲线分别如图2、图3所示。
由图3中可以看出，天线单元3 dB轴比带宽为178 MHz。因此，在工作频带内，圆极化特性和阻抗匹配特性良好，可以作为天线阵列的单元。
2 天线阵列设计
2.1 阵列天线的馈电网络设计
设计的馈电网络采用了多节λ/4波长阻抗变换器以便展宽频带，其中1、2、3、4是馈电端，通过口径耦合的方式分别给对应的天线单元馈电，如图4所示。采用该馈电网络既可以与50欧姆的输入端进行阻抗匹配，也可以在相邻的天线馈线端产生90°的相位差，且能保证对每个天线单元进行等功率馈电。这样的串并馈相结合的馈电网络分布，空间布局合理紧凑，与传统的并联型馈电网络相比，馈电路径长度较短，辐射单元与馈线间的相互影响较小，馈电比较均衡，易于工程实现，可以满足天线阵宽带和高增益的要求。
2.2 阵列的设计
在串并馈相结合的馈电网络分布基础上，采用连续相位旋转法的阵列天线技术，对天线单元依次旋转90°进行组阵。设计中辐射单元方向正交，这样辐射场分量也相互正交，可以有效地消除高次模所引入的交叉极化，可以显著地改善阵列天线的圆极化纯度和轴比带宽。因此，利用四个圆极化天线单元连续旋转再次组合成圆极化天线阵列，不仅能在原圆极化元获得频带的基础上扩展更宽的频带，更有利于其在低剖面阵列中的集成应用。
2.3 阵列的仿真与实测结果
基于以上设计，对该天线阵进行了电磁仿真和参数优化，得到阵列天线的VSWR、轴比和方向图曲线，并根据优化参数制作了阵列天线实物，并在微波暗室对天线阵进行了测试。驻波比实测与仿真对比结果如图5所示，实测结果比仿真结果略向高频偏移，在1.85 GHz～2.35 GHz频率范围内VSWR≤1.5，相对阻抗带宽约为23.8%。
阵列天线实物如图6所示。图7给出了阵列天线在2.1 GHz频率处实测与仿真的E面和H面方向图对比结果。在2.1 GHz频率处，E面方向图和H面方向图十分对称，且具有宽波束特性，
天线阵主瓣宽度E面约为31.2°，H面约为31.2°。实测天线阵最大增益为14.5 dB，第一旁瓣电平为-12.6 dB。从图8可以看出在2.1 GHz频率处，天线阵轴比保持在1.2 dB。阵列天线实测和仿真结果趋势一致，从而验证了该宽带圆极化天线阵设计方法的正确性。
3 结论
结合S波段卫星通信，提供了一种设计宽带圆极化微带天线阵的设计方法，为验证该方法的正确性和实用性，在理论设计的基础上，根据电磁仿真软件的优化参数制作了天线阵实物，实测结果与仿真结果吻合较好。该天线阵结构简单、易于加工、成本低廉，可满足S波段卫星通信设备的宽带和集成化应用。
参考文献 [1]D. M. Pozar and D. H. Schaubert， Eds.， Microstrip Antennas， the Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays. Piscataway， NJ：IEEE Press， 1995.
[2]Wong K L， Wu J Y. Bandwidth enhancement of circularly-polarised microstrip antenna using chip resistor loading[J].Electron Lett， 1997， 33（21） ：
1749-1751.
[3]朱莉，王光明，高向军，等.一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J].微波学报，2008，24（3）：21-24.
[4]Wu Jun Wen， Lu Jun Han. Circularly Polarized Patch An- tenna Arrays With Broadband Operation [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003（5）：
360-363.
[5] Chen Jen， Huang Chung Shao， H su Powen. Circularly
Polarized Patch Antenna Array Fed by Coplanar Waveguide [J]. IEEE Trans on AP， 2004（6）： 1067-1069.
[6]徐永杰，姜兴.用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带天线阵[J].电子技术应用，2010（6）：146-150.
[7] Huang J. A Ka-band circularly polarized high gain microstrip array antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1995， 43（1）： 123-116.
[8] Ramesh Garg， Prakash Bhartia， Inder Bahl， A.Ittipiboon Microstrip Antenna Design Handbook. Norwood：Artech House Inc， 2001.
[9]徐永杰，姜兴.Ku频段宽带双频双极化微带天线阵的设计[J].电波科学学报，2010，25（1）：146-150.
作者简介
郭锋（1983-），女，河南南阳市人，工程师，研究方向：天线理论与技术、微波器件与电路等。
徐永杰（1981-），女，内蒙古赤峰市人，工程师，研究方向：天线理论与技术、微波器件与电路等。