商 鋒, 茍?zhí)耢o

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

為了提高衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度，擴(kuò)大定位導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍，實(shí)踐中通常組合應(yīng)用多種導(dǎo)航系統(tǒng)。這種多模系統(tǒng)通常采用圓極化微帶天線來(lái)接收電磁波[1-2]。由于圓極化天線的固有頻率范圍較窄，為了保證多模系統(tǒng)通信鏈路的暢通，在實(shí)際工程應(yīng)用中大多采用安裝多跟天線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多模系統(tǒng)中多路信號(hào)寬頻帶內(nèi)的傳輸[3]。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)使用多個(gè)不同頻段的天線時(shí)，天線之間的電磁耦合效應(yīng)會(huì)惡化系統(tǒng)的性能，影響信息的正常收發(fā)。采用具有寬頻帶特性的單個(gè)圓極化微帶天線是解決上述問(wèn)題的有效方法[3]。

常用的微帶天線為交叉偶極子天線，其阻抗帶寬一般在30%～50%之間，軸比帶寬為6%左右，天線的輻射能力和圓極化性能有限[4]。拓寬交叉偶極子阻抗帶寬和軸比帶寬的方式有多種，如改變傳統(tǒng)交叉偶極子臂的結(jié)構(gòu)[5]可以提升天線的阻抗帶寬10%～20%，拓展軸比帶寬15%左右，使得在工作頻段內(nèi)天線均能產(chǎn)生輻射波，但仍有60%的工作頻段不能滿足圓極化輻射要求。為了進(jìn)一步提高天線的圓極化輻射性能，可以在輻射貼片上加入微擾結(jié)構(gòu)來(lái)改善軸比帶寬[6-7]，這種方式可以使天線的軸比帶寬提升30%左右，但仍有20%～30%的工作頻段不能滿足圓極化輻射需要。通過(guò)在振子臂的附近添加寄生單元可以實(shí)現(xiàn)天線的寬帶化，這種方式不僅能在一定程度上拓寬天線的阻抗帶寬，對(duì)天線的軸比帶寬也有明顯改善[8-11]，使得在寬頻范圍內(nèi)天線均能實(shí)現(xiàn)良好的圓極化輻射特性。

為了覆蓋多模系統(tǒng)的寬頻范圍，實(shí)現(xiàn)天線在其工作范圍內(nèi)良好的圓極化輻射性能，本文擬選用添加寄生單元的方式來(lái)拓寬交叉偶極子天線的帶寬。將輻射貼片和寄生單元設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST(CST studio suite)建模仿真，確定寄生單元的數(shù)量、位置及相關(guān)參數(shù)，并驗(yàn)證天線的性能。

1 圓極化交叉偶極子天線

交叉偶極子天線就是將兩根性能和結(jié)構(gòu)均相同的偶極子天線正交放置。圓極化交叉偶極子天線是具有圓極化輻射特性的交叉偶極子天線。

1.1 圓極化交叉偶極子的基本結(jié)構(gòu)

圓極化交叉偶極子天線有移相網(wǎng)絡(luò)和自相移兩種結(jié)構(gòu)。

(1)移相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

移相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交叉偶極子圓極化天線通過(guò)外加饋電結(jié)構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射[12]。在此結(jié)構(gòu)中，交叉偶極子天線通過(guò)兩個(gè)不同的端口分別輸出不同的線極化形式，將兩個(gè)端口用合路器進(jìn)行合路，并對(duì)其中一路的電流進(jìn)行90°移相，以產(chǎn)生圓極化波。這種結(jié)構(gòu)需要相移網(wǎng)絡(luò)和多饋點(diǎn)，較為復(fù)雜，難以在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用[13]。

(2)自相移結(jié)構(gòu)

自相移結(jié)構(gòu)的交叉偶極子圓極化天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。它在同一副交叉偶極子天線上實(shí)現(xiàn)兩種不同的諧振模式。適當(dāng)調(diào)節(jié)2個(gè)正交的偶極子臂的長(zhǎng)短，使兩路電流相位差滿足90°要求，實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射性能[13]。

圖1 自相移交叉偶極子天線結(jié)構(gòu)

1.2 添加寄生單元的圓極化交叉偶極子

自相移交叉偶極子天線的振子臂之間存在相互耦合，可在耦合區(qū)中添加寄生單元，通過(guò)耦合作用產(chǎn)生另一個(gè)圓極化波，改善天線的阻抗帶寬和軸比帶寬[9]。添加寄生單元后的圓極化交叉偶極子的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 添加寄生單元的交叉偶極子天線結(jié)構(gòu)

圖中A1、A2為一組偶極子臂，B1、B2為另一組偶極子臂，每組偶極子臂的長(zhǎng)度相等。其中A1、A2正交放置并通過(guò)圓環(huán)連接，通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的90°相位差，得到一個(gè)圓極化波；通過(guò)偶極子臂B1、B2得到另一個(gè)圓極化波。C為放置在交叉偶極子耦合區(qū)中的寄生單元，適當(dāng)調(diào)節(jié)其位置和大小，即可產(chǎn)生另一個(gè)與交叉偶極子頻率相近的圓極化波，從而拓展天線的阻抗帶寬和軸比帶寬[9]。

2 寬帶圓極化天線的設(shè)計(jì)

通過(guò)添加寄生單元的方式來(lái)擴(kuò)寬交叉偶極子天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、寄生單元的數(shù)量、位置和相關(guān)參數(shù)確定等。

2.1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)圓極化交叉偶極子的工作原理，結(jié)合文獻(xiàn)[7]，設(shè)計(jì)的天線模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線由兩組正交的偶極子臂、一個(gè)寄生單元、介質(zhì)板、同軸線和一個(gè)金屬空腔組成。介質(zhì)板使用的材料為Teflon，相對(duì)介電常數(shù)為2.1，損耗角正切值為0.003 5，半徑為42 mm，厚度0.8 mm。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖

圖3(a)中，兩個(gè)相互正交、長(zhǎng)為L(zhǎng)1的偶極子臂通過(guò)圓環(huán)連接，圓環(huán)內(nèi)徑為r1，寬為wr。設(shè)計(jì)天線的尺寸L1=36 mm，r1=5 mm，wr=0.6 mm。通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電流90°相位差，得到一個(gè)圓極化波；長(zhǎng)為L(zhǎng)2的寄生單元用來(lái)產(chǎn)生與交叉偶極子頻率相近的另一個(gè)圓極化波。

圖3(b)中的兩組正交臂分別印刷在介質(zhì)的正、反面；同軸線的外導(dǎo)體通過(guò)金屬空腔與介質(zhì)板背面的正交臂相連，內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)與介質(zhì)板正面的正交臂連接。金屬空腔的尺寸為160 mm×160 mm×50 mm，壁厚為1 mm，放置在距離天線Hc的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線后向輻射能量的反射，以提高天線增益。

2.2 寄生單元的確定

所設(shè)計(jì)天線是在交叉偶極子中引入寄生單元，產(chǎn)生一個(gè)與交叉偶極子相近頻率的圓極化波，從而起到擴(kuò)寬阻抗帶寬和軸比帶寬的作用。寄生單元的個(gè)數(shù)和位置對(duì)天線的性能至為重要。

(1)寄生單元個(gè)數(shù)的確定

為了確定所需寄生單元個(gè)數(shù)，采用CST軟件分別對(duì)添加不同數(shù)量寄生單元的交叉偶極子圓極化天線進(jìn)行了仿真，添加不同個(gè)數(shù)寄生單元天線的性能如圖4所示。

(a) 回波損耗

(b) 軸比

圖4(a)顯示，未引入寄生單元，天線的阻抗帶寬的范圍為1.10 GHz～1.87 GHz；引入1個(gè)寄生單元，天線的阻抗帶寬范圍為1.13 GHz～2.12 GHz；引入2個(gè)寄生單元，天線的阻抗帶寬范圍為1.13 GHz～2.05 GHz。圖4(a)顯示，未引入寄生單元，天線的軸比帶寬的范圍為1.15 GHz～1.37 GHz；引入1個(gè)寄生單元，天線的軸比帶寬范圍為1.15 GHz～1.96 GHz；引入2個(gè)寄生單元，天線的軸比帶寬范圍為1.20 GHz～2.00 GHz。引入寄生單元后，天線的阻抗帶寬和軸比帶寬得到了改善。

從天線性能的改善效果上看，添加1個(gè)寄生單元和添加2個(gè)寄生單元區(qū)別并不明顯，為了簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)，本文選擇只添加1個(gè)寄生單元。

(2)寄生單元位置的確定

確定寄生單元的個(gè)數(shù)之后，還需要確定添加寄生單元的位置。為此，將寄生單元放置在耦合區(qū)的不同位置，應(yīng)用CST軟件分別對(duì)天線的軸比進(jìn)行仿真，寄生單元的位置和與之對(duì)應(yīng)的天線軸比CST仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。圖5中位置#1和位置#3對(duì)稱，位置#2和位置#4對(duì)稱。

圖5 寄生單元的位置

圖6 不同位置寄生單元天線的軸比

從圖6中可以看出，寄生單元放置于位置#1或#3時(shí)，天線軸比帶寬的范圍為1.15 GHz～2.05 GHz；寄生單元在位置#2或#4時(shí)，天線軸比帶寬的范圍為1.15 GHz～1.55 GHz，僅有400 MHz。這是因?yàn)閮蓷l振子臂之間的耦合不能滿足電流等幅、相位相差90°要求而造成的，因此，選擇在位置#1添加寄生單元。

2.3 寄生單元參數(shù)的優(yōu)化

在確定了寄生單元的個(gè)數(shù)和位置之后，需要確定寄生單元的參數(shù)。

(1)確定寄生單元長(zhǎng)度L2

用CST軟件分別仿真了寄生單元長(zhǎng)度L2分別為26 mm、29 mm和31 mm三種條件下天線的回波損耗和軸比，其結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)中可以看出，隨著L2的減小，對(duì)交叉偶極子的諧振點(diǎn)沒(méi)有影響，但寄生單元所產(chǎn)生的諧振點(diǎn)往高頻處移動(dòng)，拓寬了天線的阻抗帶寬。圖7(b)中，隨著L2的減小，寄生單元產(chǎn)生的另一個(gè)軸比最小點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)向高頻處移動(dòng)。當(dāng)L2=26 mm時(shí)，2個(gè)諧振點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)，雖然阻抗帶寬有了明顯的展寬，但軸比在1.40 GHz～1.50 GHz的頻帶范圍內(nèi)已經(jīng)大于3 dB，在這個(gè)頻段范圍內(nèi)，天線圓極化性能不佳。為了有效地拓寬阻抗帶寬和軸比帶寬，取L2=29 mm。

(a) 回波損耗

(b)軸比

(2)寄生單元與振子臂間距g的確定

用CST軟件分別仿真了g分別為0.8 mm、1.0 mm和1.2 mm三種條件下天線的回波損耗和軸比，其結(jié)果如圖8所示。

從圖8(a)可見(jiàn)，寄生單元與振子臂間距g取不同值，天線的回波損耗變化并不大。從圖8(b)可見(jiàn)，當(dāng)g=1.2 mm時(shí)，頻率范圍在1.40 GHz～1.60 GHz之間，天線的軸比不能滿足小于3 dB的要求，在此頻段范圍內(nèi)天線不能稱為圓極化天線；隨著g的減小，在1.40 GHz～1.60 GHz頻率范圍內(nèi)天線的軸比越來(lái)越小，軸比帶寬也在減小。當(dāng)g=1.2 mm時(shí)，天線的軸比帶寬范圍為1.2 GHz～1.78 GHz。當(dāng)g=1 mm時(shí)，在頻率1.20 GHz～1.92 GHz的范圍內(nèi)天線的軸比小于3 dB，滿足圓極化波輻射的要求。為此，本文選取振子臂間距g為1.0 mm。

(a) 回波損耗

(b) 軸比

3 仿真結(jié)果及分析

在使用CST軟件，對(duì)寄生單元相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化之后，最終的天線仿真。

3.1 回波損耗和軸比

天線的阻抗帶寬和軸比帶寬分別如圖9和圖10所示。圖9顯示，所設(shè)計(jì)天線的阻抗帶寬范圍為1.12 GHz～2.11 GHz。圖10顯示，設(shè)計(jì)天線分別產(chǎn)生了一個(gè)1.20 GHz輻射的圓極化波和一個(gè)1.80 GHz輻射的圓極化波，最終設(shè)計(jì)天線的軸比帶寬范圍為1.16 GHz～2.00 GHz。

圖9 設(shè)計(jì)天線的阻抗帶寬

圖10 設(shè)計(jì)天線的軸比帶寬

3.2 方向圖及增益

所設(shè)計(jì)天線在1.20 GHz、1.80 GHz的輻射增益和方向圖隨頻率變化的曲線，如圖11所示。

(a) 天線的增益

(b) 1.20GHz方向圖

(c) 1.80GHz方向圖

從圖11(a)中可以看出，在1.16 GHz～2.00 GHz的頻帶范圍內(nèi)，天線增益均大于7.5 dBic，最大值為10.5 dBic。從圖11(b)和圖11(c)可以看出，天線在1.20 GHz和1.80 GHz兩個(gè)諧振頻點(diǎn)處方向圖良好。

本文方法和文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[9]方法所設(shè)計(jì)天線指標(biāo)的仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 不同方法天線的仿真結(jié)果對(duì)比

從表1中可以看出，和文獻(xiàn)[5]相比，所設(shè)計(jì)天線的軸比帶寬擴(kuò)寬了16.9%，增益增加了7.5 dB。這是由于文獻(xiàn)[5]中的天線沒(méi)有反射腔結(jié)構(gòu)，天線的后向輻射未被反射導(dǎo)致的。

文獻(xiàn)[7]在高頻處的圓極化波是通過(guò)在主輻射貼片上切角、開(kāi)槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于主輻射貼片結(jié)構(gòu)的限制，天線的軸比帶寬只能拓寬27%。而本文所設(shè)計(jì)天線未改變主輻射貼片的結(jié)構(gòu)，是通過(guò)添加寄生單元的方式，利用耦合作用拓寬軸比帶寬，使所設(shè)計(jì)天線的軸比帶寬比文獻(xiàn)[7]增加了19.7%。

和文獻(xiàn)[9]添加的4個(gè)寄生單元相比，所設(shè)計(jì)天線只用了1個(gè)寄生單元，簡(jiǎn)化了天線結(jié)構(gòu)。雖然兩者都是采用了添加寄生單元的方式來(lái)拓寬軸比帶寬，但文獻(xiàn)[9]的主輻射貼片采用傳統(tǒng)形式的交叉偶極子天線，而所設(shè)計(jì)天線是將輻射貼片改為扇形結(jié)構(gòu)之后才添加的寄生單元，因此，所設(shè)計(jì)天線比文獻(xiàn)[9]的阻抗帶寬和軸比帶寬分別增加了16%和19%。

4 結(jié)語(yǔ)

基于自相移形式的圓極化交叉偶極子天線，通過(guò)在正交臂之間引入寄生單元的方法，設(shè)計(jì)了一種寬帶圓極化天線。天線總體尺寸為160 mm×160 mm×50 mm。仿真結(jié)果驗(yàn)證，該天線的阻抗帶寬范圍為1.12 GHz～2.11 GHz，軸比帶寬范圍為1.16 GHz～2.00 GHz，天線在工作頻段內(nèi)圓極化輻射性能良好，具有較高的增益。