5.8 GHz高增益圓極化方形四環(huán)天線的研究

楊 倩 張小苗 白 雪 李晉陽

(西安電子科技大學天線與微波技術國防科技重點實驗室,陜西西安710071)

1.引 言

圓極化天線可接收任意極化的來波,圓極化天線輻射波也可被任意極化的天線接收到。隨著通信技術的發(fā)展,對高性能的圓極化天線要求也越來越高。常用的圓極化天線通常采用螺旋天線、微帶天線形式[1-12],與螺旋天線相比較,微帶天線結構簡單、成本低、所需空間小。但微帶天線頻帶窄,增益低。采用環(huán)天線形式實現(xiàn)圓極化,而環(huán)天線一直被用來實現(xiàn)線極化。直到80年代,通過在環(huán)天線恰當?shù)奈恢瞄_口或引入枝節(jié)[4-11],可以使其產生圓極化。常使用的環(huán)天線形式有圓形、方形、菱形,以及三角形等各種形狀。

在無線電通信應用中,需要結構簡單成本低的高增益圓極化天線。對雙環(huán)天線結構,使用四元陣[5]可使增益提高到14.6 dB,或使用腔型地板加子反射板[6],使增益提高到11 dB。或在雙環(huán)的基礎上在兩端串饋兩個雙環(huán)即形成四環(huán),使增益增加到12.7 dB[8]。這些都使天線結構復雜,需要的空間大,成本高。提出一種新的形式,結構由雙環(huán)變?yōu)樗沫h(huán),使天線增益提高到12.2 dB,既不需要復雜的地板,也不需要排陣。設計的天線工作在5.8 GHz ISM 頻帶(5.725～5.875 GHz)內,首先將四環(huán)天線與雙環(huán)天線進行仿真比較,分析四環(huán)天線的性能,最后給出實測結果。

2.天線設計

如圖1(a)所示雙環(huán)天線,由兩個方形環(huán)組成,采用串饋型饋電形式。為使其輻射圓極化波,將開口取到饋電點處,形成倒S型使環(huán)上電流分布發(fā)生變化[7]。該雙環(huán)天線印刷在距地板高h的介質板底面,這樣可容易的與巴倫進行連接。優(yōu)化缺口大小,形成左旋圓極化天線。將輻射貼片繞y軸旋轉180度可容易地將左旋圓極化改成右旋圓極化。

在左旋圓極化方形雙環(huán)的基礎上加入新的左旋圓極化方形雙環(huán),形成四環(huán)天線,如圖1(b)所示。兩個方形雙環(huán)天線尺寸不同,開口仍取在饋電點處。相鄰兩個大小不同的方形環(huán)并饋,與雙環(huán)比較,可增大電流分布。然后與奇對稱的另兩個方形環(huán)串饋,整體四環(huán)電流分布形成左旋圓極化。由于電流幅度增加,所以提高了天線的增益。輻射貼片仍印刷在距地板高度為h的介質板背面。仿真優(yōu)化四環(huán)天線各個參數(shù),使其形成左旋圓極化。

在天線設計中,雙環(huán)天線、四環(huán)天線和巴倫選取相同介質板。介質基板材料厚度1.5 mm,相對介電常數(shù)地板均為半徑90 mm的圓形銅片。

仿真優(yōu)化天線具體尺寸：雙環(huán)天線邊長a=14.9 mm,線寬 d=0.8 mm,間距 w=1.5 mm,缺口ds=1.0 mm,高度h=13.2 mm。四環(huán)天線邊長a1=21.0 mm,a2=18.5 mm,線寬d=1.2 mm。間距w1=3.4 mm,w2=1.8 mm,缺口 ds1=4.1 mm,ds2=1.8 mm,高度h=13.2 mm。

選取寬帶漸變巴倫并引入匹配枝節(jié),巴倫的底部與50歐姆的同軸線相匹配連接,頂部組成平行雙線與天線相連接。巴倫背面模擬地板,正面漸變線進行阻抗變換。通過調節(jié)巴倫漸變線的長度、匹配枝節(jié)的位置大小進行阻抗匹配。巴倫模型如圖2所示,具體尺寸 b1=1.5 mm,b2=4.5 mm,b3=20 mm,b4=4 mm,h1=4.5 mm,h2=0.6 mm,h3=10 mm。

圖2 巴倫結構

3. 仿真與實測結果

使用軟件Ansoft HFSS進行仿真,在仿真過程中,缺口大小和雙環(huán)間距對軸比影響較大。相鄰雙環(huán)間距增加,主極化副瓣升高,增益變低,軸比也變差;間距變小,交叉極化升高,軸比變差。高度h對增益影響較大,高度降低增益變高,高度升高增益降低。高度h也對軸比有影響,但影響較小。方形環(huán)的邊長影響諧振頻率,邊長變大,頻帶向低頻偏移,邊長變小,頻帶向高頻偏移。線寬d對軸比也有影響,影響較小,對阻抗影響較大。環(huán)間距w1和w2對阻抗影響很大。

經優(yōu)化后的仿真雙環(huán)天線和四環(huán)天線增益方向圖在φ=0°和φ=90°兩個面相似并且對稱。在5.65～5.9 GHz頻段內各個頻點增益方向圖沒有明顯變化,如圖3所示僅給出 φ=0°面中心頻率5.8 GHz的仿真增益方向圖。

圖3 四環(huán)與雙環(huán)天線增益方向圖在φ=0°面比較

四環(huán)天線增益確實與設計相符,提高2 dB。波束寬度比雙環(huán)天線窄,在中心頻點5.8 GHz處,半功率波束寬度由雙環(huán)天線的60°降低到四環(huán)天線的40°。四環(huán)天線交叉極化分量與雙環(huán)天線相比變差,因為鄰近并饋雙環(huán)間電流分布相互影響,增加了交叉極化分量。

軸比帶寬(AR＜3 dB)如圖4所示由雙環(huán)天線的17%降到四環(huán)天線的3.8%,這主要由相鄰邊間的電流耦合影響。雙環(huán)天線增益在5.3～6.3 GHz頻段內均約為9.9 dB。四環(huán)天線增益在5.65～5.9 GHz頻段內從11.3 dB升高到12.4 dB,增益平均提高2 dB。而天線尺寸和地板尺寸都沒有增加,在實際應用中可以減少天線陣列的單元數(shù),減小饋電網絡的復雜性。

天線實物如圖5所示,輻射單元印刷在介質板背面,分別與巴倫頂部雙線正面和背面進行焊接。巴倫底部正面與50歐姆SMA內芯、背面和地板進行焊接。在焊接中,要保證天線、巴倫和地板三者兩兩垂直。

駐波測試使用Agilent E8363B矢量網絡分析儀,實測電壓駐波比(VSWR)結果與仿真結果如圖6所示。測試結果與仿真結果吻合較好,在所需5.65～5.9 GHz頻段內均小于2,實現(xiàn)了阻抗匹配。由圖6可見,所采用的漸變巴倫為寬帶巴倫,在頻段5.2～6.2 GHz內均小于2,實測結果向低頻偏移,這主要是因為實際介質的相對介電常數(shù)與仿真的有偏差。

圖6 駐波仿真和實測結果對比

在中心頻點5.8 GHz測試了該四環(huán)天線實物的方向圖。天線測試方向圖如圖7所示,與圖3比較可見仿真與實測吻合較好。只是交叉極化誤差較大,主極化后瓣測試結果較高。主要由測試標準天線的誤差和測試環(huán)境測試過程的影響產生。

圖7 四環(huán)天線測試方向圖

4.結 論

通過改進雙環(huán)天線,提出了新型方形四環(huán)天線結構。并將雙環(huán)天線與四環(huán)天線進行仿真比較,優(yōu)化天線各個參數(shù),使得仿真結果滿足設計要求,增益平均提高2 dB。并制作了工作ISM5.8 GHz頻段(5.725～5.875 GHz)的左手圓極化四環(huán)天線。使用寬頻帶漸變巴倫進行阻抗變換,駐波帶寬(VSWR＜2)大于18%,實現(xiàn)了阻抗匹配。在5.725～5.875 GHz內平均增益為12.2 dB,與雙環(huán)天線相比,提高了天線增益。

[1]胡明春,杜小輝,李建新.寬帶寬角圓極化微帶貼片天線設計[J].電波科學學報,2001,16(4)：441-446.HU Ming chun,DU Xiao hui,LI Jian xin.Design of broad-band and wide-angle circularly polarized micros-trip patch antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2001,16(4)：441-446.(in Chinese)

[2]薛睿峰,鐘順時.微帶圓極化技術概述與發(fā)展[J].電波科學學報,2002,17(4)：331-336.XUE Ruifeng,ZHONG Shunshi.Survey and progress in circular polarization technology of microstrip antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2002,17(4)：331-336.(in Chinese)

[3]張福順,商遠波,張濤,等.高增益低副瓣圓極化微帶天線陣的研制[J].電波科學學報,2008,23(3)：572-575.ZHANG Fushun SHANG Yuanbo ZHANG Tao,et al.A circular-polarization microstrip array with high-gain and low-side lobe[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(3)：572-575.(in Chinese)

[4]HIROSE K,NAKANO H.Dual-loop slot antenna with simple feed[J].Electron.Letter,1989,36(18)：1218-1219.

[5]ST RASSNER B,CHANG K.5.8-GHz circularly polarized dual-rhombic-loop traveling-wave rectifying antenna for low power-density wireless power transmission applications[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,2003,51(5)：1548-1553.

[6]LI R L,TRAILLE A,LASKAR J,et al.Bandwidth and gain improvement of a circularly polarized dualrhombic loop antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2006,5(1)：84-87.

[7]SUMI M,HIRASAWA K,SONG Shi.Two rectangular loops fed in series for broadband circular polarization and impedance matching[J].IEEE T rans.Antennas Propag.,2004,52(2)：551-554.

[8]XUE Bai,ZHANG Xiaomiao,LI Liang,et al.Double-sided printed four rhombic-loop antenna with parasitic loops for circular polarization[J].J.of Electromagn.Waves and Appl.,2009,23(13)：1795-1802.

[9]JUNG C W,CETINER B A,DE FLAVIIS F.A single-arm circular spiral antenna with inner/outer feed circuitry for changing polarization and beam characteristics[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,2003.IEEE,4(22-27)：474-477.

[10]MORISHITA H,HIRASAWA K.Wideband circularly-polarized loop antenna[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,1994.APS.Digest,Seattle,WA,USA,1994,2：1286-1289.

[11]MORISHITA H,HIRASAWA K,NAGAO T.Circularly polarized wire antenna with a dual rhombic loop[J].IEE Proc.-Microw.Antenna Propag.,1998,145(3)：219-224.

[12]LI R L,DEJEAN G,LASKAR J,et al.Investigation of crcularly polarized loop antennas with a parasitic element for bandwidth enhancement[J].IEEE T rans.Antennas Propag.,2005,53(12)：84-87.