一种双圆极化天线的结构设计与力学分析

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一种单馈双频双圆极化微带天线

一种单馈双频双圆极化微带天线李嘉钱祖平（解放军理工大学通信工程学院微波教研室，南京210007）摘要：本文给出了一种新型双频双圆极化微带天线的设计。

该天线采用层叠结构实现双频工作，利用微带贴片附加短截线来实现圆极化。

贴片附加的两对短截线增加了天线可调谐范围，从而能够补偿加工带来的误差。

仿真和测试结果表明，天线在1.61GHz-1.62GHz和2.48GHz-2.50GHz两个频段内驻波比都小于2，在中心频率为1.615GHz和2.492GHz，带宽为10MHz频段轴比都小于3。

关键词：双频；双旋向；圆极化；微带天线A Novel Dual-Band And Circular Polarization Microstrip AntennaAbstract:. This paper designs a new dual-band and dual-sense circular polarization antenna. It uses layer stack to achieve dual-band performance and uses microstrip plus short transversal to realize circular polarization. Two pairs of transversal adding to strip increase the tune range of the antenna and compensate the error in antenna producing. Simulation and test indicate that this antenna has good radiation and polarization performance in working band. Keywords: Dual Frequencies；Dual-Sense Circular Polarization；Microstrip Antenna1 引言在卫星通信系统中，一般要求天线能实现双频工作，并具有良好的圆极化性能。

一种S波段宽带双圆极化天线设计

一种S波段宽带双圆极化天线设计本文设计了一种新型宽带高增益双圆极化天线，该天线采用圆形罩杯和多个金属圆盘贴片相结合的层叠结构。

通过改变圆形罩杯和金属圆盘贴片直径的大小来调节天线单元的增益以及天线的阻抗带宽，得到了良好的效果。

天线通过四点正交馈电方法实现圆极化辐射。

馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成。

通过激励90o电桥两个输入端口实现天线左右旋圆极化变换。

采用商业仿真软件HFSS对天线结构尺寸进行优化设计，仿真结果表明该天线具有结构形式简单、增益高、带宽宽、轴比性能好等优点。

该天线适合用于一些小角度扫描的相控阵天线系统。

标签：圆极化；宽带；高增益；轴比1 引言本文设计了一种通过四点正交馈电的高增益罩杯天线，该天线采用圆形罩杯和金属圆盘贴片相结合。

通过多个圆盘贴片谐振在不同的频点来展宽天线的阻抗带宽，同时利用不同尺寸的反射罩杯来改变天线单元增益。

天线的馈电网络由一个90o电桥和两个180o环形电桥组成。

通过HFSS对天线单元结构尺寸进行优化分析，结果表明天线的S11在工作带宽（2Ghz-2.3Ghz）范围内小于15dB。

天线方向图法向轴比在±13o范围内小于1.5dB，增益大于14dB。

这种结构的圆极化天线在一些小角度扫描相控阵天线系统具有广泛的应用前景。

2 圆极化辐射单元设计天线结构形式如图1所示分为2个部分。

上层为罩杯天线，下层为天线的馈电网络。

罩杯天线为4层结构，上3层为辐射金属圆盘，最下层为金属反射罩杯。

辐射金属圆盘通过一个金属圆柱支撑杆串连起来。

罩杯天线的4个馈电点位于最下层的金属圆盘贴片。

为了实现罩杯天线辐射场的左右旋圆极化可变，天线的馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成如图2所示。

通过激励90o电桥不同输入端口实现输出端口相位0o、90o、180o、270o 和270o、180o、90o、0o变化。

通过HFSS对天线单元优化仿真。

一种高增益双圆极化天线设计

2020年第8期116信息技术与信息化电子与通信技术一种高增益双圆极化天线设计孟军衔* 陈明汪伟MENG Jun-xian CHEN Ming WANG Wei摘　要本文设计了一种新型宽带高增益双圆极化天线，该天线单元由圆形金属罩杯和多个金属圆形贴片层叠组成。

通过改变圆形金属罩杯和层叠贴片直径的大小来改变天线单元的增益及天线带宽。

圆极化天线的馈电网络采用金属板线形式的90°电桥和180°环形电桥组成。

圆极化馈电网络有2个输入口和4个输出口。

通过激励电桥两个输入端口实现天线左右旋圆极化。

仿真结果表明该天线具有增益高、带宽宽、轴比性能好等优点。

关键词圆极化；宽带；高增益；轴比doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2020.08.037* 中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥 230088[基金项目]本文系国家自然科学基金项目：高效率多波段抗干扰天线技术研究（No.61671416）的研究成果0 引言随着通信等领域技术的快速发展，系统对天线性能的要求越来越高。

线极化天线虽然设计简单方便，但线极化天线很难满足日益增长的应用需求。

圆极化天线使用起来具有多个优点，例如圆极化天线通信可以消除电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响，可以抵抗雨雾的干扰。

正是由于这些特点，近年来圆极化天线被广泛应用到无线通信、雷达等领域。

圆极化天线的实现方式有多种形式，按天线形式分，圆极化天线的可以有以下几种：微带天线，十字4交叉阵子，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线，波导缝隙天线等。

按天线增益大小圆极化天线分为两种形式：一种是低增益类单元天线；如微带贴片天线、波导裂缝形式天线等。

另一种是中等增益类单元天线，如喇叭天线、螺旋天线、引向天线、金属罩杯天线等。

本文设计了一种高增益双圆极化天线，该天线由多层金属贴片和圆形罩杯组成。

其中可以通过调节金属罩杯的大小来改变天线单元的增益，通过不同金属贴片尺寸之间的组合实现天线单元的宽带工作特性。

一种新型宽带双圆极化天线的研究与设计

来实现宽带及双圆极化的特性，比于文献［与相５］
２ｓｕｕｉｏｓ天线单元原理介绍ｎ
２１概述．
Ｓｎｏｓｉｕｕ天线在原理上类似于对数周期天线，可以被看成是平面对数周期天线。它是一种按照相似
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｃｅｅｃｍｂｎｅｔｐｆｓｎｏｓａｔｎａａｄｆｅｉｇｎｔｒｒｒｓｎｅｏｉｌｍｅｔｗｉｅｓｈｍｏｉｇａｎｗｙｅｏｉｕｕｎｅｎｎｅｄｎｅｗｏｋａｅｐｅｅｔｄｔｍｐｅｎｄ —
第３９卷第１总第１１）期（５期２１００年３月
火控雷达技术
ＦｉｅＣｏｒｌＲａｒＴｅｈｌｇｒｎｔｏｄａｃｎｏｏｙ
Ｖ１９Ｎ．（ｅｅ１１ｏ．ｏ１Ｓｒｓ５）３ｉ
Ｍａ．２０ｒ０１
一
种新型宽带双圆极化天线的研究与设计
单元和馈电网络进行了仿真分析和优化设计。结果表明，设计的天线和馈电网络在工作频带所
２０～．Ｃｚ内具有良好的电性能。．２３Ｈ
关键词：宽频带；圆极化；ｎｏｓ线；ｄ双ｓｕｕ天ｉ３Ｂ电桥；行器环中图分类号：２．８１１文献标志码：Ａ文章编号：０ —６２２１）１８－４１８８５（０００－３０００
陈玉林房善玺

一种Ka频段双频圆极化天线的设计

I nternet Technology互联网+技术一、引言随着传统卫星工作频率的逐渐拥挤以及人们对高速通信的需要日益增大，高通量通信卫星正加快投入使用。

目前，大多数的高通量通信卫星工作于Ka频段。

由于圆极化天线在抑制雨雾干扰、接收空间电磁波等方面的良好性能，圆极化天线被广泛应用于导航、卫星通信等领域中[1]。

微带天线也具有重量轻、体积小等优点，但频带窄一直是它的一个缺陷。

同时，在许多实际应用中，往往希望天线能够在几个不连续的频段上工作，以实现更多的功能。

圆极化天线的工作原理是激发两个相干但振幅相等、相位正交的模式，这可以通过在宽槽或环槽天线中引入对称或非对称的扰动模块来实现。

微带缝隙天线一般可通过改变缝隙和辐射贴片的形状及位置来获得圆极化[2-7]。

通过双矩形叠加的贴片、添加L型支节、开L型槽实现双频带圆极化，其尺寸为40mm×40mm×1.6mm[6]；通过圆形辐射贴片和类T形缝隙实现宽带圆极化，其尺寸为5.3mm×5.3mm。

然而，这些天线的结构复杂，导致天线制造过程复杂[7]。

本论文旨在研究并设计一种针对Ka频段的双频圆极化天线，在实现高增益和较宽带宽的同时，保持良好的圆极化特性。

通过深入分析和研究目前Ka频段天线设计中所面临的挑战和问题，本论文将提出新的设计思路和方法，以期解决当前存在的技术难题，推动Ka频段双频圆极化天线的发展。

本文所设计的天线是一种简单的、工作于Ka频段的双频带圆极化微带缝隙天线，由一个矩形槽接地板、一个从接地板突出的水平支节、一个微带馈线和一个不对称U型贴片组成，通过在贴片的长臂上开矩形槽，可以实现并增强圆极化性能。

二、天线结构设计本文提出了一种新型、结构简单且紧凑的双频圆极化天线，天线结构如图1所示。

图1　天线结构尺寸图该天线印刷在F4BM265介质基板[8]（相对介电常数为2.65）上。

F4BM265基板是一种高性能介质基板，具有如下优点：1.在高频范围内具有低损耗和低介电常数的特点，适用于高频和射频应用；2.具有出色的热稳定性，可以有效抵抗太空低温环境引起的性能偏差，并支持长时间高功率运行；一种Ka频段双频圆极化天线的设计摘要：面向Ka频段高通量卫星对天线的需求，本文设计了一种Ka频段双频段圆极化微带缝隙天线，天线单元由不对称U形贴片和开矩形槽的接地板组成，采用微带线侧馈供电，通过微带线开凹槽实现双频带，加载一对支节和贴片开槽实现圆极化。

一种x波段双圆极化天线的设计

圆极化天线可通过切换不同馈电端口来辐射不同旋
向的圆极化波ꎬ在雷达、卫星通信等领域有广阔的应
摘要:本文提出了一种Ｘ波段的双圆极化微带天线ꎮ 单元天线利用宽带定向耦合器实现双圆极
化特性ꎬ切换馈电端口可辐射左、右旋圆极化波ꎮ 耦合器通过金属化通孔与圆形贴片连通ꎬ获得了
良好的轴比性能ꎮ 仿真结果表明ꎬ单元天线的工作频带为９. ５－１１. ０ＧＨｚꎬ带内轴比小于２. ０４ｄＢꎮ
单元天线剖面高度约为０. ０９倍波长ꎬ相对带宽为１４. ６３％ ꎮ 辐射右旋圆极化波时ꎬＸＯＺ面、ＹＯＺ面
传输ꎮ 圆极化波不仅受电离层法拉第旋转效应的影
响小ꎬ还可以有效地降低多径反射的干扰ꎮ 圆极化
收稿日期:２０１９０６１９
作者简介:徐慧文(１９９５－ ) ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎮ 研究方向为双圆极化天线技术ꎮ
８４
第４８卷
火控雷达技术
天线可接收任意的线极化波ꎬ圆极化波也可以被任
器是最常用的分支线定向耦合器ꎬ结构简单但工作带
ＹＯＺｐｌａｎｅꎬ ｗｈｉｃｈａｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ９８. ５°ａｎｄ９６. ７°ｆｏｒＲＨＣＰꎬ ｗｈｉｌｅｔｈｅｙａｒｅ９７. ８°ａｎｄ９６. ９°ｆｏｒＬＨＣＰ. Ａｓｉｘ￣
ｔｅｅｎ￣ｅｌｅｍｅｎｔａｒｒａｙｉｓａｌｓｏｓｉｍｕｌａｔｅｄꎬ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ１２. ６８％ｂａｎｄｗｉｄｔｈ (９. ６ ~ １０. ９ＧＨｚ) . Ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｂａｎｄꎬ ｔｈｅａｘｉａｌ
ｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｉｓ９. ５ ~ １１. ０ＧＨｚａｎｄｔｈｅａｘｉａｌｒａｔｉｏｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ２. ０４ｄＢ. Ｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｈａｓａｒｅｌａｔｉｖｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ

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引言
天线作为一种发射和接收无线信号的设备，是雷
天线体积小、重量轻、频带宽，但难以实现双圆极化，且
制造加工复杂；平面激励杯状天线具有重量轻、轴比好、可实现双圆极化的特点，近年来在国外星载天线
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｉｚｒａｔｉｏｎａｎｔｅｎｎａｈａｓｍａｎｙｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｎｉｔｅａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｔｏｔｅｓｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ
褚庆听，蔺炜，林伟鑫，等．具有紧凑馈电网络的宽带四
臂螺旋天线［Ｊ］．电子学报，２０１３，４１（４）：７２２ — ７２６．张健穹．高功率高增益径向线螺旋阵列天线研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１１．陈玉林．一种新型宽波束双圆极化天线的设计与仿真
一
。本文就
种新型双圆极化平面激励杯状天线的结构设计和相
关力学性能进行了论述和分析。
极化的电磁波。因此，圆极化天线在卫星通信、电
子对抗等方面具有重要的应用价值。
１天线结构设计
高增益双圆极化天线的电讯方案如图１所示，采
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｄｅｘｅｓ．Ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓｒｅｆｅｒ－
［４］刘文华，束咸荣．ｘ波段圆极化９雷达天线研制［Ｊ］．现代６７８１
ｒＩｒＬｒＬ
雷达，２００９，３１（８）］宋长宏，吴群，张文静，等．一种高效率圆极化背腔天线
梁旭，任开锋
（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥２３００８８）
摘
要：圆极化天线在卫星通信、电子对抗等领域有其自身鲜明的特点和优势，而高增益双圆极化天线
是未来星载通信天线的重点研究方向。文中介绍了一种新型双圆极化平面激励杯状天线的结构设计方
第３１卷第３期
２０１５年６月
电子机械工程
Ｅｌｅｃｔｒｏ — ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｌｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２０１５
一
种双圆极化天线的结构设计与力学分析
ｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｔｕｄｙｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆａｎｔｅｎｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ — ｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｉｚｒａｔｉｏｎ；ｃｕｐａｎｔｅｎｎａ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ
［１］薛虞峰，钟顺时．微带天线圆极化技术概述与进展［Ｊ］．电波科学学报，２００２，１７（４）：３３１ — ３３６．
最大变形为０．６２６ｍｍ，发生在碟形振子的顶部，最大应
力为ｌ１６．０３ＭＰａ，发生在同一碟形振子馈电点处。
达系统和无线通信中的一个重要部件。随着通信、遥感、遥测技术的发展，单一极化方式的天线很难满足天
线抗云、雨、雾、霾等恶劣天气干扰的需求。在电子对
抗领域，圆极化天线可以干扰和侦察各种线极化和圆
中得到广泛应用，但目前国内对这种形式天线的研究很少，多集中在双圆极化微带天线方面
大，很难满足机载、星载天线对重量的要求；螺旋
收稿日期：２０１５－０３－０９
・
２０・
第３１卷第３期
梁
旭。等：一种双圆极化天线的结构设计与力学分析
・产品设计・
线在承受、ｌ，、ｚ向随机振动条件下的力学响应进行仿真分析，随机振动仿真条件见表３。
从上述结果可以看出，由于杯状天线的碟形振子支撑杆较细且为悬臂结构，因而振子顶端的变形量较大。最大应力发生在碟形振子的馈电点处的主要原因
阵的设计［Ｊ］．电波科学学报，２０１４，２９（１）：１２９ — １３４．
案，该方案实现方式简单，加工装配周期短，有利于电讯方案的快速验证。为测试天线的力学性能，利用
ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对天线进行了模态、过载、随机振动条件下的仿真分析。结果表明，相关性能完全符合指标要求。此方案对该类型天线的设计和分析提供了参考和依据。
表３随机振动仿真条件
平低，后期可通过优化构型，对天线反射杯与馈电网络壳体进行结构复用，进一步降低天线的整体质量，并提高电连接的可靠性。此外，星载通信天线的空间环境
防护问题一直是工程化的重点和难点，本文提出的双
圆极化天线也不例外，尤其是天线馈电处的电连接结构在承受高低温交变和原子氧侵蚀等条件下的防护问题将是未来该天线产品化的关键。天线在上述仿真条件下的随机振动变形和应力情
况见表４，基本趋势与１５ｇ过载条件下的力学表现类似，参考文献
［Ｊ］．火控雷达技术，２０１４，４３（１）：９４ — ９７．
是内导体直径较小，在振动条件下需抵抗碟形振子的金属碟片变形，从而造成应力集中。在３ｔｒ可信度条
ｗａｒｆａｒｅｓｙｓｔｅｍｓ，ｅｔｃ．Ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈ・ｇａｉｎａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｄｕａｌ — ｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｔｒｉｎｔｈｅｆｕ — ｔｕｒｅｓｐａｃｅ — ｂｏｒｎｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｔｅｎｎａｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｏｖｅｌｄｕａｌ — ｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｕｐａｎｔｅｎｎａｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｈａｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｅａｓｙｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｅｉｃｆｉｅｎｔｐｒｏ — ｄｕｃｔｉｏｎ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍｏｄａｌ，ｏｖｅｒｌｏａｄａｎｄｒａｎｄｏｍｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｔｈｅｉ－ｆ
ａＤｕａ１．ｃｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＡｎｔｅｎｎａ
ＬＩＡＮＧＸｕ，ＲＥＮＫａｉ－ｆｅｎｇ
（Ｔｈｅ３８ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，Ｈｅｆｅｉ２３００８８，Ｃｈｉｎａ）
表４随机振动条件下的变形和应力（３ｏ－）