Ka波段圆极化微带相控阵列天线设计

1 引言

    圆极化天线可以有效减小雨雾等自然气候的影响、抑制多径效应，能更好地保证无线通信链路的畅通。微带天线具有体积小、重量轻、结构简单、易加工等优点，但也存在着带宽窄、增益低的缺陷。利用阵列天线结构可以有效地提高增益，并在一定程度上展宽天线带宽。

    通过控制阵列中天线射单元的馈电相位来控制和改变辐射波束的形状和指向，以达到波束扫描的目的。利用相位控制的方法，克服了用机械方法旋转天线时惯性大、速度慢的缺点，相控阵天线的波束扫描速度高、相位变化速度快，使得天线波束变化快捷，这是相控阵天线的最大特点。

    本文利用Ansys HFSS软件，通过建模和仿真优化，首先在Ka波段完成单馈圆极化微带天线单元的设计。而后，根据应用需求，通过合理的排列，研究设计了包含37个天线单元的圆极化微带相控阵列结构。该阵列天线结构在足够宽的频带内具有较大的增益和轴比特性，以及在较宽的空间范围内具有良好的波束扫面特性。

2 天线

图1 圆极化微带天线单元结构

    如图1所示，为圆极化微带天线单元的结构图，选用介电常数为2.2、厚度为0.508mm的材料作为天线的介质板，天线单元横向尺寸L=8mm。方形贴片大小Lp=4.06mm，两个切角ΔS=0.75mm，利用同轴探针馈电，馈电位置沿x轴方向距离贴片中心d=1mm。通过Ansys HFSS建模仿真，得到天线主要工作特性如下：

图2 天线单元反射系数

图3 天线单元中心频率空间辐射

    如图2和图3可以看到，天线在中心频率附近相当宽的频带内具有很好的阻抗匹配，而且在空间具有良好的圆极化辐射特性。天线3dB增益波束宽度约为80°、3dB轴比波束范围约为120°。

    根据天线单元的工作特性，我们期望通过合理的布阵方式，通过控制各阵元的激励相位，使天线阵列可以在水平面φ∈(0°~360°)和俯仰面θ∈(0°~60°)进行二维波束扫描，并且能在要求的空间范围内均有良好的圆极化辐射。

3 相控阵列设计

图4 天线阵列结构

    图4为37个天线单元按三角形方式进行排列的天线阵列结构，各阵元中心距离为P=6.5mm，圆形地板直径Ф=47mm。因为天线阵元之间互耦的影响，对天线的尺寸需要进行适当的优化。此时，具体尺寸的优化值为：贴片大小Lp=4.0mm、切角ΔS=0.92mm，馈电位置距离贴片中心d=1.2mm。

3.1 阵列未扫描

图5 中心频率各阵元有源驻波比