X頻段超寬帶雙線極化微帶天線的分析和設(shè)計(jì)

李昕桉 王巍 李慶浩

摘要：設(shè)計(jì)了一種具有較高口面利用率的寬頻帶雙線極化微帶天線。在輻射貼片上方增加寄生貼片單元并通過優(yōu)化兩層貼片之間的距離實(shí)現(xiàn)寬頻帶；通過仿真優(yōu)化改善了極化隔離度。仿真結(jié)果表明，該天線的駐波相對帶寬達(dá)到了18.4%（VSWR≤2），工作頻段范圍內(nèi)增益大于8dBi，并具有20dB以上的端口隔離度。

關(guān)鍵詞：寬頻帶 微帶天線 雙線極化

中圖分類號：TN822 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0187-02

1 引言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，通信設(shè)備不斷向?qū)掝l帶、高頻段發(fā)展，對通信設(shè)備提出了越來越高的要求，推動了作為通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件天線的寬帶化的發(fā)展。

在目前常用的展寬微帶天線帶寬的方法中，采用微帶寄生貼片天線是一種常用的結(jié)構(gòu)。該天線在展寬天線帶寬的同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剖面低、重量輕等特點(diǎn)，它十分適合作為陣列天線的天線單元使用。

本文設(shè)計(jì)了一種寬頻帶雙極化疊層微帶天線。在兩層貼片之間，利用聚四氟乙烯材料架高，以展寬帶寬，通過正交激勵(lì)方形貼片并結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雙線極化的特性。該天線具有良好的增益及交叉極化特性。

2 天線模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 天線單元結(jié)構(gòu)

天線層疊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該天線從上至下由介質(zhì)層1、空氣層、介質(zhì)層2、空氣層、介質(zhì)層3組成，介質(zhì)層1、2、3的厚度分別為t1、t2、t3。上層貼片印制在介質(zhì)層1的底部，而下層貼片印制的介質(zhì)層2 的頂部，介質(zhì)層2是一個(gè)四層印制板，底部為饋電網(wǎng)絡(luò)，介質(zhì)層3頂部為饋電網(wǎng)絡(luò)。兩貼片對應(yīng)臨近的諧振頻率，從而形成了雙峰諧振特性，以獲得寬頻帶；該天線的貼片尺寸如圖2所示，陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)采用威爾金森功分器功分器對貼片兩個(gè)正交的場進(jìn)行激勵(lì)，形成雙線極化。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

介質(zhì)層都 選用介電常數(shù)為2.2、損耗正切較小的TLY-5介質(zhì)，厚度t1=t3=0.254mm，t2=0.762mm。采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對圖2中天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在仿真時(shí)考慮最終的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，直接將支撐結(jié)構(gòu)也考慮進(jìn)去，其最終結(jié)構(gòu)如圖1 所示。經(jīng)過大量的仿真計(jì)算和優(yōu)化后，最終選用的參數(shù)為：空氣層厚度h1=3.5mm、h2=11mm；上下層方形貼片的邊長L_top=12.25mm、L_sub= 12.75mm；同軸饋電點(diǎn)位置L1=L2=0.8mm、W1=W2=6.375mm。

3 天線的仿真分析

圖3給出了天線單元仿真駐波比曲線，該天線在7.17GHz至 8.64GHz頻率范圍內(nèi)的1.47GHz帶寬VSWR<2，相對帶寬達(dá)到 18.7%。

圖4給出了天線單元的增益曲線，天線在8dBi 以上增益的帶寬為7.14GHz～8.7GHz范圍內(nèi)，整個(gè)頻帶內(nèi)，最大增益約為9dBi，出現(xiàn)在8.37GHz處。結(jié)合圖3和4，在7.17～8.6GHz范圍內(nèi)VSWR<2、Gain>8dB，具有良好的阻抗匹配和增益性能。

圖5給出了天線單元仿真的增益方向圖，從圖中可以看出，該天線具有較高的增益和較好的定向性。

4 結(jié)語

本文提出了一種超寬帶雙線極化微帶天線。該天線采用耦合貼片方式，結(jié)果表明該天線能夠在頻率范圍7.17～8.64GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)駐波比VSWR<2，在18.7%的相對帶寬內(nèi)獲得了寬頻帶特性；端口之間隔離度達(dá)到20dB以上。天線的方向性較好、增益較高；同時(shí)，該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造。

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