一种新型双频双圆极化微带天线.

一种新型双频双圆极化微带天线曹宜森1,2卢春兰1彭川1（解放军理工大学通信工程学院，南京210007）1（解放军93975部队）2摘要：本文给出了一种新型双频反向圆极化微带天线的设计。

该天线采用贴片层叠结构和单点馈电。

仿真和测试结果表明，该天线在工作频段内具有良好的输入特性和辐射特性，并且具有较好的广角圆极化性能。

关键词：双频，双圆极化，单点馈电A Novel Dual-Band And Dual Circular Polarization Microstrip AntennaCao Yisen1，2Lu Chun Lan1Peng Chuan1（ICE，PLAUST Nanjing 210007，China）1；（No.93975 unit of PLA）2Abstract: This paper presents a novel design of a dual frequencies and dual circular polarization microstrip antenna. Multi-layer structure and single feed are employed. Simulated computed by Ansoft HFSS10.0 and measured results indicated that the antenna has a good performance of return losses, radiation pattern and wide-range circular polarization.Key words: Dual Frequencies; Dual Circular Polarization; single feed1 引言近年来，微带天线由于具有尺寸小，成本低，易实现圆极化等优点在卫星通信系统中得到了广泛的应用。

在卫星通信系统中，一般要求天线能实现双频工作，并具有良好的圆极化性能。

目前，已研制出多种天线形式，在实现双频工作的同时，保证具有良好的圆极化性能，特别是应用于GPS手持终端的天线，已经有了很多的研究。

但是，在实现天线双频反向圆极化的性能中，大部分天线采用双点馈电，并且用功分移相器来实现天线的双频反向圆极化性能，如文献[1]~[4]，这种设计方式无疑增加了天线的复杂程度，提高了天线的制作成本。

而单点馈电圆极化微带天线无需功分器、移相器等正交馈电网络，用作相控阵天线单元时，其复杂的馈电网格可以得到有效简化，虽然现在对于单馈点的双频同向圆极化的微带天线有一些研究，但对于单馈点双频反向圆极化的微带天线却很少见到相关的文献。

本文基于上述背景，提出了一种采用单点馈电实现双频反向圆极化的双频微带天线形式，利用层叠贴片来实现双频工作，上层贴片采用探针直接馈电，下层贴片通过电磁耦合馈电，利用在贴片上开槽来实现天线的圆极化。

整个天线结构简单，易于加工制作，仿真和测量结果表明，该天线完全能应用于卫星通信手持终端。

2 天线设计天线的结构如图1所示。

该天线由工作在两个频段的方形微带贴片层叠起来, 形成双频圆极化天线。

物理尺寸较小的微带贴片放在上层，物理尺寸较大的微带天线放在下层。

探针通过下层贴片上的钻孔连接到上层贴片上，下层贴片是上层贴片的寄生单元，通过上层贴片电磁耦合馈电。

上层贴片辐射较高频率，下层贴片辐射较低频率，上层的贴片·1·辐射时，下层贴片作为它的接地面；下层贴片辐射时，上层贴片作为电感性耦合元件，天线的等效原理图如图2所示，f1、f2分别为两个贴片的谐振频率。

天线上下介质均采用介电常数 3.5ε=，损耗角正切tan0.001σ=的F4B-2材料，上层介质和下层介质的厚度分别为h1，h2。

图1 天线结构图单点馈电的圆极化微带天线利用简并分离元微扰技术, 在普通圆形微带天线的基础上, 加入微扰, 形成简并分离，适当调节微扰量, 使天线产生两个正交极化波的简并模, 其中一个模电压的相位比另一个模的模电压超前90°，这样在远场区就形成了圆极化。

本文采用在方形贴片上开槽的方式来实现圆极化辐射，其中，在下层贴片上沿x轴方向开槽，如图1（a）所示，以实现在低频工作时的右旋圆极化辐射；在上层贴片上沿y轴方向开槽，如图1（b）所示，以实现天线在高频工作时左旋圆极化辐射。

天线采用50Ω的铜轴线来馈电，馈电点位置在正方形贴片的对角线上。

图2 天线等效原理图由于天线的参数比较多，在确定初步设计时，可以利用文献[5]中对于单片方形圆极化贴片天线设计公式计算天线各参数的初步值，得到初步值之后，采用基于有限元法的商业软件Ansoft HFSS10.0对该设计进行仿真，得到了一些有用的仿真结果。

通过大量的仿真发现，天线在低频端的谐振频率主要取决于L1，在高频端的谐振频率取决于参数L2，天线的驻波比随L1，L2的变化关系如图3，图4所示。

图3 天线驻波比随L1变化曲线图4 天线驻波比随L2变化曲线天线在低频端的轴比主要取决于L S1和馈电点的位置，在高频段的轴比主要取决于L S2和馈电点的位置。

经过优化设计，天线的具体参数如表1。

表1 天线结构基本参数3 结果与分析在上述的分析下设计并加工了工作于11.26f GHz=，2 1.61f GHz=两个频段的天线，工作于11.26f GHz=时为右旋圆极化，工作于21.61f GHz=时为左旋圆极化。

采用HFSS 10.0 进行仿真，并加工了实物，如图5所示。

对实物天线进行了测试，得到该天线工作于f1、f2时的驻波比如图6所示，由图可知，天线在1.26 1.275GHz，·2··3·1.61 1.625GHz 两个频段内驻波比皆小于2；图5 天线实物图图6 天线的仿真和实测驻波曲线天线的轴比仿真和实测曲线如图7所示，在1.261275GHz ，1.61 1.62G H z 内，天线的轴比皆小于3dB ；具有良好的圆极化性能。

但是，实测曲线和仿真曲线有一点偏差，这主要是由于加工误差和实测误差而引起的。

图7 天线的仿真和实测轴比曲线采用HFSS10.0 仿真，天线在两个频段上的增益如图8所示。

由图可以看出，该天线在低频段的增益大于2.5dB ，在高频端的增益大于5dB ，这说明天线具有较高的辐射效率，但是，天线在高低两个频段的增益相差较大，这是由于在高频段，天线采用的是由探针直接馈电，故增益较高，而在高频段，天线采用的是电磁耦合馈电，故增益较低。

图8 天线的增益仿真曲线天线在两个谐振频段上的方向图仿真结果如图9所示、实测结果如图10所示。

从仿真和实测的方向图可以看出，天线的波束很宽，具有良好的广角性能，因此能适用于卫星定位系统手持终端的系统要求。

图9 天线的仿真方向图图10 天线的实测方向图4 结论本文采用层叠结构和单点馈电的方法设计了一种双频反向圆极化的微带天线，该天线在1.26 1.275GHz频段内辐射右旋圆极化波，在1.61 1.625GHz频段内辐射左旋圆极化波，且具有良好的广角圆极化性能。

与传统的双频反向圆极化天线相比，该天线采用单点馈电，大大简化了天线结构，降低了制作成本。

因此，这种天线具有良好的实用性和应用前景。

参考文献[1] kai-Ping Yang and Kin-Lu Wong,Dual-band Circularly-Polarized Square Microstrip Antenna. IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2001,49(3): 377~382[2] David M.Pozar and Sean M.Duffy, A Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupied Stacked Microstrip Antenna for GlobalPositioning Satelite. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(11): 1618~1625.[3] Croq F, Papiernik A. Wideband aperture coupled microstrip antenna. Electron Lett , 1990 , 26(16) :1293～1294[4] 史清李杨王家勇梁旭文，双频双圆极化带天线实验设计。

微波学报，2004，20（4），90~92。

[5] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M] . 西安: 西安电子科技大学出版社, 1991.作者简介：曹宜森，男，硕士，主要研究领域为天线技术。

·4·一种用于海事卫星通信的微带阵列天线的设计廖学介1杨宏春2(电子科技大学应用物理研究所，成都610054)摘要：结合经验公式和仿真软件，设计出了一种用于海事卫星通信系统的圆极化微带阵列天线。

天线采用双层结构，介质基片选择泡沫材料，并采用正方形切角的方式实现圆极化。

利用高频电磁仿真软件AnsoftHFSS对该阵列天线进行了仿真优化。

仿真结果表明，该天线具有良好的宽频带特性，天线在整个海事卫星通信工作频带内驻波比小于1.5，同时天线的最大增益达到13.5dB。

关键词：微带阵列天线，层叠贴片，圆极化，驻波比Design of microstrip array antenna for maritime satellite communicationLiao Xuejie1Yang Hongchun2(Institute of Applied Physics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054)Abstract: A circularly polarized microstrip array antenna for maritime satelte communication was designed by combining the experimental formulae and the simulation software. A dual-layer structure was proposed, and the foam was chosen as the medium substrate, the antenna is circularly-polarized by corner-truncated square patch. The Antenna designed was simulated and optimized by HFSS. The simulation results show that this antenna has good wideband characteristic. The impedance bandwith for VSWR<1.5 in the whole INMARSAT(International Maritime Satellite Organization) communication work bands, and the maximal gain 13.5dB is also achieved.Key words: Microstrip array antenna; Stacked patch; Circular polarization; VSWR1 引言BGAN是宽带全球局域网(Broadband Global Area Network)的英文缩写，是国际海事卫星组织(Inmarsat)提供的第四代全球移动卫星通信系统。