一种新型双频双圆极化微带天线的设计
1 引言
在卫星通信及定位系统中，圆极化天线的应用是必不可少的。但是为了进一步降低干扰，卫星通信上下行频率一般不同，两频段的圆极化旋向也不同。这就需要设计一种能够实现双频双圆极化的天线，所谓双圆极化就是指天线在两个工作频段上的圆极化旋向相反。相对于多馈电的双频双圆极化天线，单馈电的双频双圆极化天线获得了更多的亲睐。实现单馈电双频双圆极化天线的方法主要有两种，一种是使用层叠方式[1]，但这种方式通常会引入多种介质、多层空气层，加工不便[2]。另一种方法就是通过开槽的方法，如通过环形槽实现双频圆极化[3]。运用这种方法设计的天线具有结构简单，加工方便的优点。
本文采用加载槽缝的方式设计了一种可应用于卫星广播系统，航空无线电导航、卫星地球探测、无线电定位等方向的基于非对称V 型槽的双频双圆极化天线。该天线在低频段和高频段分别具有右旋圆极化（RHCP）和左旋圆极化（LHCP）的辐射性能。天线运用共面波导（CPW）的单点馈电，结构紧凑，加工方便，具有广阔的运用前景。
2 天线结构与分析
本文提出的天线结构如图1 所示，辐射贴片置于相对介电常数为2.65，长度为L，宽度为W，厚度为h 的F4B-2 介质基板上表面。贴片表面加载了非对称V 型槽，V 型槽两臂正交，长度分别为L4和L5，宽度为W4，距离贴片边缘的距离为D0。同时我们在贴片的对角线位置构造了两个切角，切角长度为C。辐射贴片采用共面波导（CPW）馈电的方式，通过一长度为L1，宽度为W1 的矩形微带线连接到宽度为L3 的方形贴片，对天线进行激励。在介质基板的下表面覆有一层金属板，目的是减小后瓣，增大天线增益。
图1 天线结构图
本文设计的天线在规则单元贴片对角线位置进行切角，其目的是让辐射贴片激励起两个极化正交的简并模。又，在天线表面加载了非对称V 型槽，改变微带天线表面电流的有效路径。V 型槽的引入一方面可减小天线尺寸，另一方面通过调节两臂的长度差可获得另一旋向的圆极化波。
3 天线参数仿真与分析
天线各参数对天线性能均有影响，但是其中几个关键参数的影响是L3、C 以及非对称V 型槽两臂长度差△L。
L3 主要影响天线的低频段特性，其表现在于L3的变化主要引起低频段工作频率偏移，而对高频段的影响较小一些。L3 对天线高低频段的圆极化性能均有影响。在低频段，当L3 增大时，天线轴比带宽变窄，且当L3 取值过大时，低频段轴比带宽消失；而在高频段，当L3 增大时，天线轴比曲线会向低频移动。
C 的变化主要对低频段轴比有较大影响，而对高频段的影响很小。在低频段内，随着C 的增大，逐渐出现轴比带宽，且带宽逐渐变宽。
△L 的变化对低频段影响很小，而高频段随着△L 的变化，回波损耗的大小变化很大。△L 对高频段的圆极化性能有很大影响，对低频段几乎没有影响。最后，我们取图1 中各部分尺寸大小如表1所示。
4 天线仿真与测试结果
根据优化后得到的表1 的尺寸，加工制作的天线实物如图2 所示。图3 中给出了天线S11 的仿真和实测曲线，整体趋势吻合较好。从中可以发现，天线的实测结果相对于仿真曲线有一定的频率偏移。通过分析我们认为这是由于天线工作在Ku 波段，频率相对较高，而且加工精度有限，如SMA 焊接等因素对结果会产生较大的影响。然而天线性能完全满足设计的预期目标。在低频段，天线阻抗匹配带宽（S11 ≤ -10dB）为2.35% （12.6 ~ 12.9GHz），该频段覆盖了卫星固定业务频段。在高频段，天线阻抗匹配带宽（ S11 ≤ -10dB ） 为17.7% （ 13.9 ~16.6GHz），该频段覆盖了卫星广播、航空无线电导航、卫星地球探测、无线电定位等工作频段。
图2 双频圆极化微带天线实物照片
图3 双频圆极化微带天线S11 曲线
天线的轴比如图4 所示。天线在低频段处轴比带宽（AR ≤ 3dB）为1.9% （12.58 ~ 12.82GHz）；
在高频段内，轴比带宽（AR ≤ 3dB）为3.7%（14.32 ~ 14.86GHz）。
图4 双频圆极化微带天线的轴比曲线
图5 给出了天线分别在12.7GHz 和14.5GHz 处xoz 和yoz 平面内归一化远场辐射方向图的仿真结果。在低频段内，天线的主极化方向为右旋圆极化，在轴向方向上（θ=0o），主极化（右旋圆极化）比交叉极化（左旋圆极化）至少高出17dB。在高频段内，天线的主极化方向为左旋圆极化，轴向方向上（θ=0o），主极化（左旋圆极化）比交叉极化（右旋圆极化）至少高出24dB。这正好满足卫星通行上下行旋向不同的要求，而且通过调整切角的位置及V 型槽两臂的长度可方便地实现高低频段不同旋向的要求。
图5 天线的归一化远场辐射方向图
（a）12.7GHz；（b）14.5GHz
5 结论
本文通过在规则矩形辐射贴片的对角线上切角以及加载非对称V 型槽，提出了一种新型双频双圆极化微带天线。天线的工作频段覆盖了卫星固定业务频段、卫星广播、航空无线电导航、卫星地球探测、无线电定位等工作频段。实测结果表明该天线在两个频段内都具有较好的阻抗匹配和圆极化性能，且具有结构紧凑、加工方便的优点，具有广阔的运用前景。
作者：沈文辉林嘉宏 刘 洁 杨 康 上海大学通信与信息工程学院