用缺陷地結(jié)構(gòu)抑制圓極化微帶天線的諧波

江 超,楊雪霞,白巧玲

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072）

0 引言

缺陷地結(jié)構(gòu)是由韓國學(xué)者J.I.Park等人在研究光子帶隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出的[1]。DGS使得微帶線具有帶隙特性和慢波特性,從而可以將其應(yīng)用在抑制天線的高次諧波[2]、帶通濾波器[3]、Wilkinson功分器[4]等方面。與光子帶隙結(jié)構(gòu)相比,DGS更簡單,更適于微波毫米波電路的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[5]將雙圓形缺陷地板用于圓形線極化輻射貼片,很好地解決了交叉極化的輻射電平。文獻(xiàn)[6]在矩形輻射貼片前的饋線中加入了平行耦合微帶線濾波器,具有良好的二次諧波抑制效果,但是整個天線單元面積過大。文獻(xiàn)[7]中提出了一種線極化矩形微帶天線結(jié)合雙開環(huán)濾波單元,二、三次諧波得到了的濾除,其頻段內(nèi)的S11在-5dB左右。文獻(xiàn)[8]中采用了TDGS的天線結(jié)構(gòu),二、三次諧波的S11控制在-3dB以內(nèi),但TDGS占用面積較大。

設(shè)計了具有二次諧波抑制功能的圓極化天線,其結(jié)構(gòu)緊湊,抑制性能好,用于射頻前端可減小其體積。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 微帶貼片的設(shè)計

貼片天線采用微帶線邊緣饋電,如圖1所示,方形貼片的邊長可由公式（1）確定。

圖1 貼片結(jié)構(gòu)圖

切角方形貼片能夠激勵TM01模和TM10模,從而實現(xiàn)圓極化。通過軟件仿真,得到貼片輸入端口點a的輸入阻抗為200Ω。用λ/4阻抗變換器將200Ω轉(zhuǎn)換成50Ω,便于測量和加載DGS單元。λ/4波長變換器的特性阻抗為Zc。

根據(jù)公式（2）變換線的特性阻抗為100Ω。用HFSS軟件仿真,微帶線天線的輸入阻抗隨頻率變化,如圖2所示。在中心頻率5.8GHz,輸入阻抗為（49+j1.1）Ω。由于圓極化需要2種模式,因此在阻抗曲線中有2個虛部為零的點,把匹配點調(diào)整在較低頻率模式可以同時獲得較好的圓極化和駐波比。

1.2 DGS的設(shè)計

采用了啞鈴型DGS,該DGS結(jié)構(gòu)在50Ω微帶線的另一側(cè),即接地板上。結(jié)構(gòu)如圖3所示,啞鈴半徑為r,啞鈴握柄寬為g,單元間距為d,啞鈴握柄長為L。

DGS可以等效為一個LC并聯(lián)電路,因此在電路諧振時具有對某一頻段的帶阻特性;多DGS級聯(lián)組合可以使等效電路變成具有低通特性或者帶通特性。

用HFSS分析DGS的頻響特性,圖4是其仿真后的S參數(shù)曲線,可以看出此DGS結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)低通特性。在5.8GHz附近的通帶大于天線帶寬,而在10GHz～12GHz的二次諧波頻帶內(nèi),S11抑制好于-2dB。

圖3 雙啞鈴結(jié)構(gòu)

圖4 雙啞鈴型DGS的S參數(shù)的特性

2 天線仿真和實驗

啞鈴型DGS對天線特性有影響,所以需要對這種天線加以綜合分析。天線的結(jié)構(gòu)如圖5所示,介質(zhì)板厚1.5mm,介電常數(shù)為2.65。長寬分別為44mm和40mm。饋線和天線共面,DGS在接地板上。缺陷地的幾何尺寸分別為r=1.7mm,g=0.8mm,d=4mm,L=7.4mm。

圖5 天線結(jié)構(gòu)

2.1 天線仿真

對DGS單元的截止頻率影響最顯著的是啞鈴半徑r和啞鈴握柄寬g。啞鈴的面積越小,截止頻率越高;g越窄,截止頻率越低。而L參數(shù)和d參數(shù)則同樣可以引起截止頻率的改變,分別如圖6和圖7所示,L越長,截止頻率越小;d越大,濾波器的選通性就越強。

圖6 L對S參數(shù)的影響

圖7 d對S參數(shù)的影響

切角方形貼片激勵圓極化波,而饋線偏移量D對圓極化的性能也有影響,如圖8所示。切角之后的方形貼片使得表面電流沿著其邊緣旋轉(zhuǎn),而貼片邊緣的一段饋線影響了表面電流的平衡分布,所以通過改變邊緣饋電位置,可以實現(xiàn)較好的圓極化效果。而且,細(xì)微變動DGS與輻射貼片的間距同樣可以改善圓極化。

圖8 隨D影響的軸比帶寬

2.2 測試結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化仿真,天線幾何尺寸參數(shù)為L1=14mm,L2=11.5mm,L3=8.7mm,w1=2.2mm,w2=4.2mm,w3=1mm。S11頻響特性如圖9所示,有DGS和無DGS二次諧波的仿真值分別為-2dB和-17dB。由于加工誤差,有DGS二次諧波的測試值為-3.45dB。測試的S11＜-10dB,帶寬為200MHz。

圖9 S11仿真與實測值

天線軸比測試和仿真值如圖10所示,測試3dB軸比帶寬約為70MHz,與仿真曲線基本保持一致。由于加工誤差和測試誤差,尤其是在測試過程中天線波瓣最大方向可能沒有對準(zhǔn)發(fā)射天線,導(dǎo)致測試天線的增益低于仿真增益,其最大增益出現(xiàn)在5.83GHz,約為6.3dBi,如圖11所示。

圖10 軸比仿真測試對比圖

圖11 增益仿真測試對比圖

圖12是在5.8GHz下測試E面圓極化方向圖,前后比約為13dB,3dB波瓣寬度為80°。

圖12 頻率5.8GHz下E面方向圖

3 結(jié)束語

該設(shè)計將DGS用于圓極化天線的諧波抑制。經(jīng)實際測量,二次諧波的S11抑制在-3.45dB以內(nèi),S11小于-10dB帶寬為200MHz,軸比小于3dB的圓極化帶寬為70MHz。5.8GHz中心頻率的軸比為1dB,方向圖的波瓣前后比為13dB,最大增益為6.3dBi,可用于小型化的射頻前端。

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