姜 興, 韋 佳, 童惠祺

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 廣西桂林 541004)

一種C波段層疊結(jié)構(gòu)寬帶圓極化天線的設(shè)計(jì)*

姜 興, 韋 佳, 童惠祺

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 廣西桂林 541004)

為了滿足C波段寬帶通信的需求,設(shè)計(jì)一種縫隙耦合層疊結(jié)構(gòu)的寬帶高增益圓極化微帶天線。采用雙層切角的輻射貼片實(shí)現(xiàn)圓極化,并擴(kuò)展天線的帶寬;使饋線偏離介質(zhì)板的中心,改善天線的軸比特性;采用金屬反射板實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射,并提高增益。天線實(shí)測結(jié)果表明,-10 dB阻抗帶寬達(dá)到32.2%(4.17～5.76 GHz),3 dB軸比帶寬達(dá)到20.2%(4.25～5.25 GHz),天線增益在軸比帶寬范圍內(nèi)大于8.5 dB。該天線實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、高增益等特性,適合應(yīng)用于C波段寬帶通信。

天線;圓極化;寬帶;高增益;切角

0 引言

隨著C波段無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)寬帶通信的需求越來越高,天線向?qū)拵А⒏咴鲆娴姆较虬l(fā)展已成為通信體制的必然趨勢。由于圓極化微帶天線具有輻射效率高、抗干擾能力強(qiáng)等一系列的特點(diǎn),在衛(wèi)星通訊、指揮及控制系統(tǒng)、電子對(duì)抗、GPS等眾多軍民領(lǐng)域中得以廣泛的應(yīng)用[1]。而傳統(tǒng)的微帶天線工作帶寬窄、增益低。因此,對(duì)寬帶高增益圓極化微帶天線研究具有重要意義。

在擴(kuò)展圓極化天線帶寬、增益方面的研究有很多,且成果豐富。如文獻(xiàn)[2]利用在貼片上刻蝕特殊結(jié)構(gòu)展寬天線頻帶,實(shí)現(xiàn)4%的軸比帶寬和8.5%的阻抗帶寬及3.4 dB的最大天線增益。文獻(xiàn)[3]采用雙饋點(diǎn)對(duì)圓形微帶貼片進(jìn)行饋電,雖已實(shí)現(xiàn)了C波段的寬帶圓極化,但對(duì)增益未提出具體的要求。文獻(xiàn)[4]提出一種S波段的寬帶圓極化天線,實(shí)現(xiàn)了53%的軸比帶寬,但天線的最大增益才達(dá)到8 dBic。文獻(xiàn)[5]的圓極化天線采用U形槽結(jié)構(gòu)拓展天線的阻抗帶寬,實(shí)現(xiàn)了大于15.2%的阻抗帶寬,但軸比帶寬僅為3.2%,且天線增益為4.5 dB。而文獻(xiàn)[6]利用切角的輻射貼片來實(shí)現(xiàn)圓極化,天線單元實(shí)現(xiàn)了20%的阻抗帶寬和3.2%的軸比帶寬,但需通過順序旋轉(zhuǎn)技術(shù),將天線單元組成陣列,才分別獲得25%的阻抗帶寬和17%的軸比帶寬。

文中設(shè)計(jì)了一種基于矩形寬縫耦合的C波段圓極化層疊結(jié)構(gòu)微帶天線,采用HFSS 13軟件對(duì)天線單元進(jìn)行了仿真優(yōu)化,并分析對(duì)天線軸比特性的影響較大的幾個(gè)主要參數(shù),最終確定天線的尺寸,并加工測試。

1 天線結(jié)構(gòu)分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線主要由雙層金屬貼片、開矩形寬縫的金屬地板、微帶饋線和金屬反射板構(gòu)成,如圖1(a)所示。圖1(b)與圖1(c)所示的是寬為W1的方形輻射貼片1和寬為W2的方形輻射貼片2,其分別印制在介電常數(shù)εr為2.65,厚度為1 mm的F4B-2介質(zhì)板上。輻射貼片1位于介質(zhì)基板的上表面,而輻射貼片2位于介質(zhì)基板的下表面,倒置的介質(zhì)板起天線罩的作用。通過調(diào)整兩貼片尺寸以及耦合間距,達(dá)到展寬頻帶的目的。對(duì)兩貼片進(jìn)行切角,激勵(lì)起兩個(gè)正交簡并模,實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。圖1(d)為天線的饋電層,尺寸為LT×WT的寬縫金屬地板與LF×WF的微帶饋線分別刻蝕在第三層介質(zhì)板的上下表面,其中饋線偏移介質(zhì)板中心的距離為Ly,調(diào)整饋線位置可改善天線的軸比性能。調(diào)整貼片尺寸、縫隙的尺寸、饋線尺寸等來改善天線的阻抗匹配特性。在介質(zhì)板下表面大約四分之一波長距離處添置金屬反射板實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射并提高增益。

1.2 天線等效電路模型

根據(jù)口徑耦合技術(shù)理論分析[7],縫隙耦合微帶天線的等效電路如圖2所示,其對(duì)應(yīng)縫隙結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示。微帶饋線通過LT×WT的縫隙來對(duì)貼片耦合饋電,而縫隙尺寸決定饋線與貼片間的耦合程度。

等效電路中,兩層貼片相對(duì)于矩形縫隙中心的輸入導(dǎo)納可用Ypatch表示。Lm為終端開路的匹配枝節(jié)長度。ΔV為微帶線上有縫隙引入的模電壓變化量,V0為縫隙電壓。

(1)

式中:Et為縫隙電場;hf為微帶線的歸一化磁場;St為縫隙面積。

天線的輸入阻抗為Zin,即:

(2)

Yap=-j2Y0scot(βsLT/2)

(3)

2 天線參數(shù)分析及優(yōu)化結(jié)果

由上述寬縫耦合結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系及對(duì)應(yīng)等效電路分析可知,天線諧振頻率主要受貼片尺寸、縫隙尺寸的影響。該天線利用雙層輻射貼片在C波段內(nèi)(4.2～5.8 GHz)產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻點(diǎn),通過調(diào)節(jié)兩貼片的尺寸及耦合間距,達(dá)到拓寬天線的阻抗帶寬的目的。天線的軸比帶寬主要取決于貼片的切角面積的大小及饋線偏移位置。

諧振頻率隨貼片尺寸變化曲線如圖3、圖4所示,低頻諧振頻率主要受上層輻射貼片的影響,當(dāng)增大上層貼片2的尺寸W2,天線的諧振點(diǎn)往低頻偏移。而高頻諧振頻率主要受下層輻射貼片1的影響,當(dāng)減小下層貼片尺寸W1,天線的諧振點(diǎn)向高頻移動(dòng),調(diào)節(jié)兩諧振頻率的距離,可增加天線的阻抗帶寬;調(diào)節(jié)饋線寬度WF,可進(jìn)一步改善阻抗匹配性能。

為深入研究天線軸比特性的影響因素,利用HFSS軟件分別對(duì)上層貼片2和下層輻射貼片1的切角面積及饋線偏移位置Lx進(jìn)行優(yōu)化分析。

天線的軸比隨輻射貼片2切角面積的變化曲線如圖5所示,當(dāng)ΔS2很小接近2 mm2時(shí),天線的軸比在頻帶內(nèi)均大于3 dB,無法激勵(lì)起圓極化波,隨著ΔS2增大,天線軸比帶寬逐漸得到改善,當(dāng)ΔS2在6 mm2左右,天線的軸比性能最好,達(dá)900 MHz,繼續(xù)增大切角面積達(dá)8 mm2左右,軸比帶寬逐漸變窄,變?yōu)?00 MHz。

而輻射貼片1切角面積的改變對(duì)圓極化性能也有很大的影響,如圖6所示,ΔS1很小約為4 mm2時(shí),軸比帶寬僅為400 MHz(4.3～4.75 GHz),當(dāng)ΔS1增大至6 mm2時(shí),天線軸比性能明顯得到改善,ΔS1增大至8 mm2時(shí),軸比性能最佳,帶寬達(dá)到900 MHz。若繼續(xù)增大ΔS1,軸比帶寬也呈現(xiàn)出變窄的趨勢。

饋線的位置對(duì)軸比也有一定的影響,如圖7所示,當(dāng)饋線位置在介質(zhì)板中心(Ly=0 mm)時(shí),軸比帶寬為400 MHz(4.4～4.8 GHz)。若饋線偏離介質(zhì)板中心向-y軸方向移動(dòng)時(shí),軸比帶寬將至300 MHz。當(dāng)饋線向+y軸方向移動(dòng)Ly=2 mm時(shí),天線的軸比帶寬達(dá)到最大,在4.3～5.2 GHz頻帶范圍內(nèi),軸比均小于3 dB。若將饋線繼續(xù)向+y移動(dòng)(Ly=3 mm),在4.6～4.8 GHz范圍內(nèi),軸比大于3 dB。

天線兩層輻射貼片表面電流分布如圖8所示。由圖8(a)可知,相位為0°時(shí),電流方向主要指向+x方向;相位為90°時(shí),電流方向主要指向-y方向;相位為180°時(shí),電流方向主要指向-x方向;相位為270°時(shí),電流方向主要指向+y方向;同理分析上層貼片可知,該天線輻射出左旋圓極化波。

3 天線實(shí)測分析

文中通過電磁仿真軟件HFSS 13對(duì)天線進(jìn)行反復(fù)的仿真優(yōu)化,天線結(jié)構(gòu)部分參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如下:W1=16 mm,W2=17 mm,LT=23 mm,WT=12 mm,Wg=40 mm,Lx=2 mm,LF=22 mm,WF=2.8 mm,ΔS1=8 mm2,ΔS1=6 mm2,H1=10 mm,H2=2 mm,H3=5 mm。

加工得到的天線實(shí)物如圖9所示。用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行S11測試,結(jié)果如圖10所示。在4.2～5.8 GHz范圍內(nèi),S11小于-10 dB,帶寬達(dá)到32.0%,且寬頻帶內(nèi)S11基本保持在-15 dB以下,阻抗匹配性能良好。S11的測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好?？p隙耦合的層疊結(jié)構(gòu),可明顯擴(kuò)展天線的阻抗帶寬。

在微波暗室中,用NSI2000測試系統(tǒng)分別對(duì)天線的軸比、方向圖、增益進(jìn)行測試。天線增益及左旋圓極化軸比帶寬仿真與測試曲線如圖11所示。在4.25～5.25 GHz頻帶內(nèi),軸比小于3 dB帶寬達(dá)到了21.2%。但在4.85～4.90 GHz的這個(gè)很窄的范圍內(nèi),天線的軸比略微大于3 dB,達(dá)到3.2 dB,在很多的應(yīng)用中,這樣的微小偏差還是可以接受的。誤差主要可能是由加工精度、測試環(huán)境等因素造成的。實(shí)測與仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。另外,有可能是因?yàn)樯舷聝少N片中心未完全對(duì)正,導(dǎo)致阻抗帶寬與軸比帶寬均向低頻略微偏移。將所設(shè)計(jì)的天線與標(biāo)準(zhǔn)喇叭對(duì)比測試得到天線實(shí)際增益。天線在4.2～5.8 GHz頻率范圍內(nèi),增益大于8.5 dB,在5.2 GHz頻率處取得最大增益9.3 dB,仿真結(jié)果最大增益則在5.3 GHz處為9.0 dB,相差0.3 dB。測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

圖12為4.5 GHz、5.0 GHz時(shí)天線在xoz面和yoz面仿真與實(shí)測歸一化方向圖。在測試過程中,由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響,以及轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度較大造成的天線抖動(dòng)導(dǎo)致了實(shí)測方向圖毛刺較大。但從實(shí)測結(jié)果仍可以看出天線的方向圖具有良好的對(duì)稱性,且3 dB波束寬度為70°。該天線為左旋圓極化的工作方式,交叉極化電平基本都在-20 dB以下。方向圖實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,進(jìn)一步證明了該天線具有良好的定向輻射、低交叉極化電平、寬波束等特性。由于實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備的限制,只能測試-90°到+90°的方向圖。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種基于矩形寬縫耦合的C波段寬帶高增益圓極化微帶天線單元,采用切角的貼片實(shí)現(xiàn)天線的圓極化,通過調(diào)整饋線的位置及切角尺寸顯著改善了天線的軸比特性。通過添加金屬反射板實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射并提高增益。測試結(jié)果表明,該天線單元阻抗帶寬為32%,軸比帶寬為20%,帶內(nèi)增益大于8.5 dB,交叉極化電平小于-20 dB,波束寬度為70°。該類天線具有良好的寬帶、高增益性能及圓極化輻射特性,在現(xiàn)代通訊領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

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DesignofaBroadbandCircularlyPolarizedAntennawithCBandLaminatedStructure

JIANG Xing, WEI Jia, TONG Huiqi

(School of Information and Communication, Guilin University of Electronic and Technology, Guangxi Guilin 541004, China)

In order to satisfy the requirement of broadband communication in C-band, a broadband high gain circularly polarized microstrip antenna with gap coupling laminated structure was designed. The radiation patch with double layered chamfering was used to achieve circular polarization and expand the bandwidth of antenna. The feeder was deviated from the center of the dielectric plate, and the axial ratio characteristic of the antenna was improved. The metal reflector was used to realize the directional radiation of the antenna, and the gain was increased. The measurement results showed that -10 dB impedance bandwidth of the proposed antenna reached 32.2% (from 4.17 to 5.76 GHz) and the 3 dB axial ratio (AR) bandwidth reached 20.2% (from 4.25 to 5.25 GHz), and the gain of the antenna was greater than 8.5 dB in the axial ratio bandwidth range. With the characteristics of wide bandwidth and high gain, the antenna was suitable for C band broadband communication.

antenna; circular polarization; broadband; high gain; chamfering

TN82

A

2016-07-18

國家自然科學(xué)基金(61371056;61401110)資助

姜興(1962-),女,河北人,教授,研究方向:天線與電磁測量。