雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

薛 欣 張福順 馮昕罡 馮 睿

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710071)

1.引 言

微帶天線的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、低剖面,其主要缺點(diǎn)是帶寬很窄。一般工程中要使微帶圓極化天線兼顧雙圓極化、寬波束寬度和小型化的特點(diǎn)具有一定難度,在此工程背景上進(jìn)行了研究,使天線能同時(shí)工作在兩個(gè)離散的頻率點(diǎn),產(chǎn)生不同旋向的圓極化特性[1]。由于圓極化天線帶寬很窄,加工時(shí),尺寸稍有誤差,便使得圓極化特性變差。采用雙饋點(diǎn)饋電,增加天線的對(duì)稱結(jié)構(gòu),改善了圓極化特性,最終利用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真軟件,設(shè)計(jì)了工作在兩個(gè)不同頻率點(diǎn),不同旋向的圓極化天線,并采用高介電常數(shù)的介質(zhì)板來(lái)減小天線尺寸,和展寬波束寬度[2-6]。

2.微帶天線的設(shè)計(jì)

天線的設(shè)計(jì)要求為天線安裝在邊長(zhǎng)為48 mm,四周倒圓角的方形底座上,分別工作在L波段和S波段,其電壓駐波比VSWR≤2,軸比Axial Ratio≤2 dB。工作頻率L波段時(shí)產(chǎn)生左旋圓極化波,工作頻率S波段時(shí)產(chǎn)生右旋圓極化波。

采用多層重疊的微帶天線實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化特性,該優(yōu)點(diǎn)是便于工程實(shí)現(xiàn)和加工。為了減小天線的尺寸和展寬輻射波束寬度,采用介電常數(shù)為9.8的陶瓷介質(zhì),厚度為2 mm,工作頻率在S波段的上層,工作頻率在L波段的下層。高頻天線工作的時(shí)候下層的天線充當(dāng)了地板;當(dāng)?shù)皖l天線工作時(shí),高頻天線因?yàn)槌叽缧?減小了對(duì)低頻天線的影響。同時(shí)改變天線的形狀,改善波束寬度范圍內(nèi)的圓極化特性。

如圖1所示。圓極化方式采用雙饋電點(diǎn),兩個(gè)饋電端口所輻射的TM01和TM10模,在貼片輻射方向形成兩個(gè)正交分量,相差π/2,選擇適當(dāng)?shù)募?lì)頻率,可以使兩個(gè)模式同時(shí)被激勵(lì),從而得到一個(gè)圓極化輻射場(chǎng),選擇適當(dāng)?shù)南嗖?使得上層輻射右旋圓極化場(chǎng),下層輻射左旋圓極化場(chǎng)。

2.1 貼片的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)貼片時(shí),先根據(jù)正方形貼片天線的經(jīng)典公式設(shè)計(jì)天線單元其初邊長(zhǎng)L。

根據(jù)式(1)式(2)計(jì)算出天線的初始尺寸,采用高介電常數(shù)介質(zhì),以減小天線尺寸和展寬波束寬度,增加天線的對(duì)稱結(jié)構(gòu),以改善圓極化特性,再利用仿真軟件,優(yōu)化天線的尺寸[7-8]。

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)采用雙饋點(diǎn)饋電,如圖2所示,高頻功分器和低頻功分器分開(kāi)工作,其功分器部分采用Wilkinson功分器,移相器采用普通微帶傳輸線。利用微帶傳輸線移相的特性,使功分器終端得到兩個(gè)等幅,相位相差π/2的電場(chǎng)。

圖2 功分器結(jié)構(gòu)

3.仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真分析

對(duì)圖1所示天線結(jié)構(gòu)和圖2所示功分器,利用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),具體尺寸為

1)天線大小Ls1=26.8 mm,Ls2=18 mm;

2)介質(zhì)板介電常數(shù)ε=9.8;

3)介質(zhì)板尺寸 Lm=48 mm,厚度 H2=H1=2 mm。

利用以上尺寸,建立模型仿真結(jié)果如圖3～圖4所示,圖3為天線的電壓駐波比系數(shù)(VSWR),圖4為天線輻射方向圖,其中0度方向?yàn)樘炀€輻射面法線方向。

由圖3、圖4可以看出天線的兩個(gè)工作頻率VSWR≤2、最大輻射方向軸比Axial Ratio≤2 dB,f0=1.616 GHz時(shí) 3 dB波瓣寬度為115°,f0=2.491 GHz時(shí)3 dB波瓣寬度為120°。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)天線的設(shè)計(jì)和仿真尺寸,加工出小型化微帶天線的實(shí)物樣件,樣件尺寸為48 mm×48 mm,并對(duì)樣件進(jìn)行了電測(cè)量,圖5為雙頻雙圓極化微帶天線的實(shí)物樣件和使用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的電壓駐波系數(shù)(VSWR)的測(cè)試結(jié)果。

由圖5可以看出天線在工作頻率1.616 GHz時(shí),其電壓駐波比為1.3。工作頻率為2.491 GHz時(shí),其電壓駐波比為1.6,滿足了設(shè)計(jì)要求 。

在微波暗室遠(yuǎn)區(qū)條件下,采用自制的天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在=1.616 GHz和=2.491 GHz時(shí),對(duì)該天線的輻射方向圖進(jìn)行了實(shí)測(cè),測(cè)試結(jié)果如圖6和表1所示,其中0度方向?yàn)樘炀€輻射面法線方向[9]。

表1 天線3 dB軸比波束寬度數(shù)據(jù)表

圖6的電測(cè)試結(jié)果和表1表明,天線在兩個(gè)工作頻率點(diǎn),在很寬的波束寬度范圍內(nèi)有很好的圓極化特性。

4.結(jié) 論

研究了小型化雙頻雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)采用疊層天線的設(shè)計(jì)思路使天線工作在兩個(gè)離散的頻率點(diǎn)產(chǎn)生不同極化的圓極化波,并通過(guò)使用高介電常數(shù)減少天線尺寸和展寬波束寬度,增加天線對(duì)稱結(jié)構(gòu)改善圓極化特性,然后根據(jù)Ansoft HFSS軟件仿真優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)尺寸,加工了天線樣件,樣件尺寸為48 mm×48 mm,其電測(cè)的結(jié)果也滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,該天線已經(jīng)用于工程實(shí)際,有很高的實(shí)用推廣價(jià)值。

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[7]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[8][美]David M.Pozar.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[9]張福順,張進(jìn)民.天線測(cè)量[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1995.