圆极化微带阵列天线的设计

天线系统作为无线通信系统中的一个关键的部分，其特性的好坏直接影响着整个通信系统的工作性能。无论是在军事国防还是民用通信领域，对于天线单元及阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更高的要求。在实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性，采用某种形式的阵列天线则较容易获得这些特性，因此，阵列技术在实际中获得了广泛的应用。

1 微带天线的设计
    本文设计的微带阵列天线的主要指标是：工作频率在2．4～2．5 GHz；天线极化方式为圆极化；天线增益>10 dBi；驻波<1．5；方向图E面波瓣宽度和面波瓣宽度>25°；尺寸约为400 mm×400 mm。
1．1 微带天线单元
    天线单元采用双馈电点的正方形贴片的微带结构实现圆极化特性。同时，通过介质层(相对介电常数2．65)的厚度，可以实现天线单元工作带宽的展宽。
    利用HFSS软件，获得天线单元的最终结构尺寸，其仿真模型，如图1所示。介质层高度为4／mm，辐射贴片边长35．25 mm，可根据正方形经典天线的设计公式L=0．5 λg-2△l得到。

1．2 天线单元馈电网络设计
    根据天线双馈电点的特性设计天线的匹配网络。圆极化方式采用双馈电点，两个馈电端口所辐射的TM01模和TM10模，在贴片辐射方向形成来年各个正交分量，相差π／2，选择适当的激励频率，可以使两个模式同时被激励，从而得到一个圆极化辐射场，所以馈电网络采用Wilk-inson功分器，移相器采用普通微带传输线。利用微带传输线移相的特性，使功分器终端得到两个等幅，相位相差π／2的电场。

    天线单元加馈电后行进了仿真得出了单元天线在工作带宽内的端口反射系数和阻抗特性，分别得到如图3和图4的结果。图3可以看出加馈电后天线端口的反射系数在工作频段内均<-30 dB，对应驻波≤1．06。图4可以看出加馈电后天线在中心频率上的输入阻抗为49．4-j0．35 Ω。

1．3 阵列天线的设计和仿真结果
    前面已经得到设计单元天线的特性，本文采用4个单元天线组成阵列天线，并在HFSS中建模，如图5所示，并且对该天线的电特性进行仿真分析。

    从图6可以看出阵列天线的VSWR在工作频段内均<1．2。

    如图7所示，阵列天线在2．40 GHz的增益为13．8 dBi，xoz面半功率波束宽度为35°，yoz面半功率波束宽度为34°。
    如图8所示，阵列天线在2．45 GHz的增益为13．85 dBi，xoz面半功率波束宽度为34°，yoz面半功率波束宽度为34°。

    如图9所示，阵列天线在2．50 GHz的增益为13 dBi，xoz面半功率波束宽度为34°，yoz面半功率波束宽度为33°。

2 结束语
    本文研究了圆极化微带阵列天线的设计，仿真结果满足：极化方式为圆极化方式，圆极化带宽为2．4～2．5 GHz，波束宽度为33°～35°，增益>13 dBi，驻波<1．3。具有一定的工程应用价值，同时还有一些问题需要更进一步的探讨和研究。