论文部分内容阅读
摘 要：圆极化微带天线因其特有的极化优势，在卫星通信系统中有着广泛的应用。为满足不断发展的卫星通信系统，要求圆极化微带天线具备较宽的带宽和波束。本文介绍了一型基于人工电磁结构的宽带宽波束高增益圆极化微带天线阵，并进行了仿真，结果表明该天线具有较宽的带宽和波束特性，为圆极化微带天线在卫星通信系统中的应用提供了参考。
关键词：宽带 宽波束 圆极化 微带天线
中图分类号：TN823 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0128-04
Wide-Bandwidth Wide Beam Circular Polarized Microstrip Antenna Array with High Gain Based on Artificial
Electromagnetic Structure
LIN Jiadong1 CHAI Jinfei2 SU Zhou1 WU Yong1
（1. Air Force Early Warning Academy， Wuhan， Hubei province， 430019 China; 2. General Office of the Military Representative Bureau of the Air Force Equipment Department in Chengdu， Chengdu，
Sichuan province， 610051 China）
Abstract： Circularly polarized microstrip antennas are widely used in satellite communication systems due to their unique polarization advantages. In order to meet the ever-developing satellite communication system， the circularly polarized microstrip antenna is required to have a wider bandwidth and beam. A wide-bandwidth wide-beam high-gain circularly polarized microstrip antenna array based on artificial electromagnetic structure was introduced， and the simulation results show that the antenna has a wide bandwidth and beam characteristic. It provides a reference for the application of the circularly polarized microstrip antenna in the satellite communication system.
Key Words： Wide-bandwidth; Wide beam; Circular polarization; Microstrip antenna array
圆极化天线能有效抵抗多径失真、极化失配损耗和由电离层引起的法拉第旋转效应。因此，圆极化天线非常适合用于各种无线系统，如卫星通信、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）、移动通信、无线电频率识别、无线局域网等。如图1所示，目前圆极化天線形式多样，主要有轴向螺旋天线[1]、交叉偶极子天线[2-3]和微带贴片天线[4-5]等。对于交叉偶极子天线，圆极化辐射由两个馈以幅度相同，相位相差90°信号源的正交半波长偶极子产生。对于微带贴片天线，可以通过单馈和多馈两种方法实现圆极化辐射[6]，但其工作带宽较窄[7]。对于多馈技术，主要是通过两个及以上的馈电端口来对天线进行馈电来形成两个幅度相等，且相位差90°的简并模，从而达到圆极化效果。对于单馈技术，一般是通过贴片上切角或者加载寄生贴片，以及调节探针在贴片上的馈电位置来实现对电场产生微扰[8]，产生2个相位差为 90°的简并模，从而达到圆极化的效果。为使圆极化天线能够覆盖较宽频带，要求带宽大于20%，本文采用包含多个威尔金森功率分配器的馈电网络拓宽天线带宽。较宽的辐射波束对于终端接收卫星信号非常必要，而传统的微带天线阵仅有约40°～50°窄的半功率波束宽度和3dB轴比波束宽度，本文采用加载人工电磁结构的方式拓宽波束宽度。
1 天线分析与仿真
示意图如图2所示，图2（a）和（b）分别是天线的俯视图和结构分解图。天线由三层介质基板层组成，接地金属探针穿过第一和第二层介质基板与地相连，并且放置于辐射结构周围。如图2（b）所示，在第一层介质基片中挖出方形孔以减少辐射损耗，同时，第一层介质基板上层的一个金属方形环连接所有金属探针，金属探针的位置在方形环中线。一个2×2微带阵列在该天线的第二层介质基板，其目的是实现高增益辐射。如图2（b）所示，在第三层基板，一个包含3个1/2的威尔金森功分器和1/4波长移相器的馈电网络位于介质基板底层，而金属地结构位于该介质基板顶层，第三层介质基板的主要功能是展宽带宽，产生圆极化。所有3个介质基板都使用了相对介电常数为2.2的Rogers 5880材料。第一和第二层基板高度均为1mm，第三层基板高度为0.5mm。 对该天线结构进行电磁仿真，表1是该天线优化后的参数。天线回波损耗（S11）和轴比如图3中所示，表明该天线具有较宽的阻抗带宽（10.8～13.4GHz）和3dB轴比带宽（10.9～13.5GHz），带宽达到了21.7%。威尔金森功率分配器是一种宽带结构[9]，因此馈电网络是拓宽带宽的关键技术。3个威尔金森功率分配器是由微带线连接实现一分四功分馈电网络，馈电网络的4个输出信号相邻单元间具有90°相位差的特性。馈电网络的S参数如图4所示。4个端口在10.8～13.5GHz频段，输出信号幅度波动小于0.8dB，而相邻端口相位差90°。
研究了第一层介质基板参数对天线波束的影响，如图2所示，W2是方环外部的宽度，取W2= 35mm，W2= 40mm和不加载第一层介质基板，图5（a）显示了不同的W2对波束宽度的影响。可以发现，半功率波束形状在没有第一层介质基板时比较尖而陡，但随着W2增加而变得平坦。L1是金属探针之间的间距，取L1=32.5mm，16.25mm，8.125mm和不加载第一层介质基板，图5（b）显示了不同的L1对波束宽度的影响，可以发现，3dB轴比波束宽度在没有第一层介质基板时仅有50°，但当L1=16.25mm时，将变宽为92°。图6（a）显示了在xOz和yOz截面增益和轴比随θ的变化，可以发现，3dB轴比波束宽度超过90°而半功率波束宽度超过100°。图6（b）表明，该天线的增益在工作频带内都大于5dB。
2 结语
本文提出了一种用威尔金森功分网络馈电并加载人工电磁结构的宽带宽波束高增益天线。它的阻抗匹配带宽（| S11 |<10dB）达到了21.7%（10.8～13.4 GHz），圆极化轴比带宽（小于3dB）也达到了21.7%（10.9～13.5GHz），宽半功率波束宽度大于105°，3dB轴比波束宽度大于90°。此外，该天线具有较高的辐射增益，在整个工作带宽增益大于5dB。由于这些突出的特性，该天线在Ku和X波段的卫星通信、国际海事卫星通信以及许多其他类型的宽带无线通信中都有很好的应用前景。
参考文献
[1] Jingru Geng. A unidirectional ultra‐wideband circularly polarized spiral antenna array[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2020， 62（7）：2569-2575.
[2] 翟志远.卫星通信与导航的圆极化交叉偶极子天线的研究[D].华南理工大学，2020.
[3] 徐煜思，张福恒，杨国敏.一种超表面宽带圆极化交叉偶极子天线设计[J].复旦学报：自然科学版，2020，59（2）：203-207，215.
[4] Patanvariya， A. Chatterjee. A Compact Bow-tie Shaped Wide-band Microstrip Patch Antenna for Future 5G Communication Networks[J]. Radioengineering，2021，30（1）：40-47.
[5] 楊波，罗斌.紧凑型带阻特性矩形微带贴片超宽带天线设计与实现[J].火力与指挥控制，2020，45（12）：68-72，79.
[6] 薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002（4）：331-336.
[7] 王安义，叶竹辉，李旭虹，等.C波段超宽带双极化微带贴片天线的设计[J].科学技术与工程，2021，21（5）： 1871-1876.
[8] 林昌录，聂在平.天线工程手册[J].北京：电子工业出版社，2002：278-279.
[9] J. C. Chiu， J. -M. Lin and Y.H. Wang.A Novel Planar Three-Way Power Divider[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2006： 449-451.
关键词：宽带 宽波束 圆极化 微带天线
中图分类号：TN823 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0128-04
Wide-Bandwidth Wide Beam Circular Polarized Microstrip Antenna Array with High Gain Based on Artificial
Electromagnetic Structure
LIN Jiadong1 CHAI Jinfei2 SU Zhou1 WU Yong1
（1. Air Force Early Warning Academy， Wuhan， Hubei province， 430019 China; 2. General Office of the Military Representative Bureau of the Air Force Equipment Department in Chengdu， Chengdu，
Sichuan province， 610051 China）
Abstract： Circularly polarized microstrip antennas are widely used in satellite communication systems due to their unique polarization advantages. In order to meet the ever-developing satellite communication system， the circularly polarized microstrip antenna is required to have a wider bandwidth and beam. A wide-bandwidth wide-beam high-gain circularly polarized microstrip antenna array based on artificial electromagnetic structure was introduced， and the simulation results show that the antenna has a wide bandwidth and beam characteristic. It provides a reference for the application of the circularly polarized microstrip antenna in the satellite communication system.
Key Words： Wide-bandwidth; Wide beam; Circular polarization; Microstrip antenna array
圆极化天线能有效抵抗多径失真、极化失配损耗和由电离层引起的法拉第旋转效应。因此，圆极化天线非常适合用于各种无线系统，如卫星通信、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）、移动通信、无线电频率识别、无线局域网等。如图1所示，目前圆极化天線形式多样，主要有轴向螺旋天线[1]、交叉偶极子天线[2-3]和微带贴片天线[4-5]等。对于交叉偶极子天线，圆极化辐射由两个馈以幅度相同，相位相差90°信号源的正交半波长偶极子产生。对于微带贴片天线，可以通过单馈和多馈两种方法实现圆极化辐射[6]，但其工作带宽较窄[7]。对于多馈技术，主要是通过两个及以上的馈电端口来对天线进行馈电来形成两个幅度相等，且相位差90°的简并模，从而达到圆极化效果。对于单馈技术，一般是通过贴片上切角或者加载寄生贴片，以及调节探针在贴片上的馈电位置来实现对电场产生微扰[8]，产生2个相位差为 90°的简并模，从而达到圆极化的效果。为使圆极化天线能够覆盖较宽频带，要求带宽大于20%，本文采用包含多个威尔金森功率分配器的馈电网络拓宽天线带宽。较宽的辐射波束对于终端接收卫星信号非常必要，而传统的微带天线阵仅有约40°～50°窄的半功率波束宽度和3dB轴比波束宽度，本文采用加载人工电磁结构的方式拓宽波束宽度。
1 天线分析与仿真
示意图如图2所示，图2（a）和（b）分别是天线的俯视图和结构分解图。天线由三层介质基板层组成，接地金属探针穿过第一和第二层介质基板与地相连，并且放置于辐射结构周围。如图2（b）所示，在第一层介质基片中挖出方形孔以减少辐射损耗，同时，第一层介质基板上层的一个金属方形环连接所有金属探针，金属探针的位置在方形环中线。一个2×2微带阵列在该天线的第二层介质基板，其目的是实现高增益辐射。如图2（b）所示，在第三层基板，一个包含3个1/2的威尔金森功分器和1/4波长移相器的馈电网络位于介质基板底层，而金属地结构位于该介质基板顶层，第三层介质基板的主要功能是展宽带宽，产生圆极化。所有3个介质基板都使用了相对介电常数为2.2的Rogers 5880材料。第一和第二层基板高度均为1mm，第三层基板高度为0.5mm。 对该天线结构进行电磁仿真，表1是该天线优化后的参数。天线回波损耗（S11）和轴比如图3中所示，表明该天线具有较宽的阻抗带宽（10.8～13.4GHz）和3dB轴比带宽（10.9～13.5GHz），带宽达到了21.7%。威尔金森功率分配器是一种宽带结构[9]，因此馈电网络是拓宽带宽的关键技术。3个威尔金森功率分配器是由微带线连接实现一分四功分馈电网络，馈电网络的4个输出信号相邻单元间具有90°相位差的特性。馈电网络的S参数如图4所示。4个端口在10.8～13.5GHz频段，输出信号幅度波动小于0.8dB，而相邻端口相位差90°。
研究了第一层介质基板参数对天线波束的影响，如图2所示，W2是方环外部的宽度，取W2= 35mm，W2= 40mm和不加载第一层介质基板，图5（a）显示了不同的W2对波束宽度的影响。可以发现，半功率波束形状在没有第一层介质基板时比较尖而陡，但随着W2增加而变得平坦。L1是金属探针之间的间距，取L1=32.5mm，16.25mm，8.125mm和不加载第一层介质基板，图5（b）显示了不同的L1对波束宽度的影响，可以发现，3dB轴比波束宽度在没有第一层介质基板时仅有50°，但当L1=16.25mm时，将变宽为92°。图6（a）显示了在xOz和yOz截面增益和轴比随θ的变化，可以发现，3dB轴比波束宽度超过90°而半功率波束宽度超过100°。图6（b）表明，该天线的增益在工作频带内都大于5dB。
2 结语
本文提出了一种用威尔金森功分网络馈电并加载人工电磁结构的宽带宽波束高增益天线。它的阻抗匹配带宽（| S11 |<10dB）达到了21.7%（10.8～13.4 GHz），圆极化轴比带宽（小于3dB）也达到了21.7%（10.9～13.5GHz），宽半功率波束宽度大于105°，3dB轴比波束宽度大于90°。此外，该天线具有较高的辐射增益，在整个工作带宽增益大于5dB。由于这些突出的特性，该天线在Ku和X波段的卫星通信、国际海事卫星通信以及许多其他类型的宽带无线通信中都有很好的应用前景。
参考文献
[1] Jingru Geng. A unidirectional ultra‐wideband circularly polarized spiral antenna array[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2020， 62（7）：2569-2575.
[2] 翟志远.卫星通信与导航的圆极化交叉偶极子天线的研究[D].华南理工大学，2020.
[3] 徐煜思，张福恒，杨国敏.一种超表面宽带圆极化交叉偶极子天线设计[J].复旦学报：自然科学版，2020，59（2）：203-207，215.
[4] Patanvariya， A. Chatterjee. A Compact Bow-tie Shaped Wide-band Microstrip Patch Antenna for Future 5G Communication Networks[J]. Radioengineering，2021，30（1）：40-47.
[5] 楊波，罗斌.紧凑型带阻特性矩形微带贴片超宽带天线设计与实现[J].火力与指挥控制，2020，45（12）：68-72，79.
[6] 薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002（4）：331-336.
[7] 王安义，叶竹辉，李旭虹，等.C波段超宽带双极化微带贴片天线的设计[J].科学技术与工程，2021，21（5）： 1871-1876.
[8] 林昌录，聂在平.天线工程手册[J].北京：电子工业出版社，2002：278-279.
[9] J. C. Chiu， J. -M. Lin and Y.H. Wang.A Novel Planar Three-Way Power Divider[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2006： 449-451.