采用弧形耦合饋電的寬帶圓極化陶瓷天線

魏曉東 張洪林，2 胡斌杰

（1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東 廣州510640；2.東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096）

引 言

近來(lái)對(duì)兼容多個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)備的需求呈增長(zhǎng)趨勢(shì).這些設(shè)備既可以工作在建設(shè)中的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，如北斗II代和伽利略系統(tǒng)，也可以在需要的情況下切換到GPS或者GLONASS等系統(tǒng)中以保證定位系統(tǒng)的穩(wěn)定、不間斷工作［1］.

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中常常會(huì)使用環(huán)形貼片天線作為接收設(shè)備的天線.環(huán)形貼片的工作頻率由其內(nèi)外半徑共同決定［2］.通常情況下采用直接饋電法或者耦合饋電法對(duì)環(huán)形貼片進(jìn)行激勵(lì).直接饋電法一般采用單個(gè)饋電點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，所實(shí)現(xiàn)的圓極化軸比帶寬較窄.對(duì)環(huán)形貼片天線采用直接饋電法所得到的軸比帶寬比較窄［3-4］.環(huán)形貼片天線一般工作在TM11模式［2］，此時(shí)其輸入阻抗很高，不適合采用直接饋電法進(jìn)行激勵(lì).因此需要在環(huán)形貼片和饋電端口或負(fù)載之間加入匹配電路實(shí)現(xiàn)良好的信號(hào)傳遞.這要求在設(shè)計(jì)方案中加入部分額外的空間用于布放阻抗匹配電路和饋電線路.采用正交相位的雙饋電方法可以有效地?cái)U(kuò)展天線的軸比帶寬［5-7］.但是采用這種技術(shù)又需要額外的空間用于擺放功率分配和相移電路，不利于天線的小型化.采用耦合饋電方式，例如L形探針對(duì)天線進(jìn)行耦合饋電可以擴(kuò)展天線的帶寬，但這種方法要求加入空氣或者高頻泡沫作為天線的介質(zhì).這種方式在大規(guī)模的應(yīng)用中并不可取，因?yàn)榭諝饣蚋哳l泡沫介質(zhì)對(duì)天線的輻射貼片和耦合貼片的固定提出了相當(dāng)高的要求.

提出了一種小型化的寬帶圓極化環(huán)形天線，它的結(jié)構(gòu)使其能滿足大規(guī)模應(yīng)用所提出各種要求.這個(gè)環(huán)形天線采用了高介電常數(shù)的陶瓷作為環(huán)形輻射貼片的介質(zhì)，并采用了兩個(gè)位于環(huán)形貼片內(nèi)測(cè)邊緣的弧形貼片用于耦合激勵(lì).為了在兩個(gè)弧形貼片上形成等幅、正交的激勵(lì)信號(hào)，在陶瓷的另一面加入了一個(gè)基于帶狀線技術(shù)的功率分配器，其輸出的信號(hào)為等幅正交信號(hào).該功率分配器的基板正好與陶瓷介質(zhì)相重疊，所以它沒(méi)有占用額外的空間.文中天線采用了環(huán)形貼片、陶瓷介質(zhì)以及不占用額外空間的正交饋電網(wǎng)絡(luò)，其尺寸比傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)貼片天線縮小了89.6%.在設(shè)計(jì)中采用了正交雙饋技術(shù)，天線的軸比帶寬（小于等于3dB）和阻抗帶寬（｜S11｜≤-10dB）分別達(dá)到了32%和28%.天線的最高增益也達(dá)到了3.9dBic.采用了較厚的陶瓷作為輻射貼片介質(zhì)，天線的半功率波束寬度達(dá)到了115°，可以捕捉傾角較低的衛(wèi)星所發(fā)出的定位信號(hào).

1 天線設(shè)計(jì)

圖1給出了所提出天線結(jié)構(gòu).天線的頂層用于印刷或者蝕刻天線的輻射貼片和弧形耦合貼片.而標(biāo)注功率分配器層的這一個(gè)金屬層則用于印刷／蝕刻用于功率分配和相位延遲的饋電網(wǎng)絡(luò).在功率分配器層中，威爾金森功分器將功率平均分配到兩個(gè)輸出端口上，并在兩個(gè)端口上連接了相對(duì)相位差為90°的傳輸線實(shí)現(xiàn)兩個(gè)饋電點(diǎn)之間的等幅、正交相位信號(hào).

在圖1中還展示了天線結(jié)構(gòu)的剖面圖.該剖面圖清楚地展示了天線中所用到的各層介質(zhì)和各金屬層之間的關(guān)系.總的來(lái)說(shuō)，在天線中有兩層介質(zhì)，其中上面一層是介電常數(shù)較高的陶瓷介質(zhì)，其厚度為6mm，介電常數(shù)為9.2，正切損耗角為0.003.下面一層介質(zhì)是帶狀線所需的介質(zhì)，其厚度為1.53，介電常數(shù)為2.65，正切損耗角為0.002 7.上下兩層介質(zhì)的長(zhǎng)寬均為50mm.圖中列出的其他參數(shù)如下：Ri＝7.45mm，Ro＝14.7mm，αarc＝50°，Rarc＝6.65 mm，F(xiàn)p＝5mm.圖中Via為金屬化過(guò)孔，TL1，TL2及TL3是50Ω?jìng)鬏斁€，TLh是70.7Ω?jìng)鬏斁€.

圖1 所提出的天線的結(jié)構(gòu)

天線中的饋電網(wǎng)絡(luò)采用了帶狀線技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工.根據(jù)帶狀線的計(jì)算公式、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)計(jì)算得到了在厚度為1.53mm，介電常數(shù)為2.65等條件下的50Ω和70.7Ω的傳輸線的寬度分別為1.05mm和0.55mm.在功分器部分所需的兩段70.7Ω的帶狀線的電長(zhǎng)度均為四分之一波長(zhǎng)；而連接在功分器輸出端的兩段50Ω?jìng)鬏斁€的電長(zhǎng)度根據(jù)兩個(gè)饋電點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)整，只是其中一條傳輸線的電長(zhǎng)度比另一條傳輸線的電長(zhǎng)度要長(zhǎng)四分之一波長(zhǎng).這樣就保證了輸出到兩個(gè)饋電點(diǎn)的信號(hào)具有幅度相等、相位正交的特性.在弧形激勵(lì)貼片和帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端之間采用了直徑為1.1mm的金屬化過(guò)孔進(jìn)行連接.

所提出的環(huán)形貼片天線被設(shè)計(jì)成工作在1.56 GHz.這個(gè)頻率是北斗II代的在L波段的工作頻率.為了減小天線的尺寸，將環(huán)形貼片的工作模式設(shè)定成環(huán)形貼片的TM11模，在這個(gè)模式下天線的最大輻射方向與環(huán)形貼片所在的平面垂直.但是，當(dāng)環(huán)形貼片工作在TM11時(shí)其輸入阻抗數(shù)值很高［2］，難以采用直接饋電方法對(duì)天線進(jìn)行激勵(lì).這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)采用容性耦合饋電給予解決［8-9］.采用容性耦合饋電方式可以將環(huán)形貼片原有較高的輸入阻抗轉(zhuǎn)化為較低的易于匹配的阻抗，從而能采用較簡(jiǎn)單的饋電線路.此外，為了實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化天線，通常采用雙饋或四饋點(diǎn)進(jìn)行饋電.在天線中采用了較為簡(jiǎn)單的雙饋點(diǎn)方式，兩個(gè)饋電點(diǎn)之間的幅度相等，相位相差90°.上述饋電方式通過(guò)位于陶瓷戒指背面的帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)和位于環(huán)形貼片內(nèi)側(cè)的兩個(gè)弧形貼片實(shí)現(xiàn).弧形貼片通過(guò)金屬化的過(guò)孔與饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端連接.圖1給出了具體的連接方式.

因?yàn)閮蓚€(gè)用于耦合激勵(lì)的弧形貼片被放在環(huán)形輻射貼片的內(nèi)側(cè)，它們并不占用更多的空間.此外，由于弧形貼片對(duì)應(yīng)的圓心角角度、其外邊與環(huán)形貼片之間的距離等都能參與天線輸入阻抗的從高到低的變換，所以這種擺放方式非常有效和節(jié)約空間.再有，從弧形貼片到金屬化過(guò)孔之間的金屬導(dǎo)線的長(zhǎng)度也能參與阻抗調(diào)整，所以采用弧形貼片進(jìn)行耦合饋電和阻抗變換的方式具有多維度的自由度.本設(shè)計(jì)中的所有金屬層都是在各種介質(zhì)表面通過(guò)印刷或者蝕刻工藝實(shí)現(xiàn)，而過(guò)孔也可通過(guò)沉銅工藝或插入金屬柱實(shí)現(xiàn)，所以能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn).

2 結(jié)果與討論

圖2中展示了測(cè)試所得的天線輸入端回波損耗曲線.從圖中可以看到，天線的阻抗帶寬達(dá)到了28%以上，即從1.38GHz開(kāi)始一直到1.8GHz以上，反射系數(shù)S11都小于-10dB.

而圖3則給出了測(cè)試的天線軸比曲線.從曲線可知，天線的軸比帶寬大于32%.天線的軸比帶寬較大要?dú)w功于陶瓷體背面的饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了較好的幅度平衡度和正交相位.幅度平衡、相位正交的信號(hào)通過(guò)金屬過(guò)孔傳遞到兩個(gè)弧形貼片使得天線在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的圓極化輻射特性.

圖2 在天線輸入端測(cè)試得到的回波響應(yīng)曲線

圖3 測(cè)試所得到的軸比曲線

圖4給出了天線增益的測(cè)試曲線，該曲線表明天線的最大增益點(diǎn)在1.61GHz，該頻率與設(shè)計(jì)的頻率相比稍有偏高，這是因?yàn)樘沾山橘|(zhì)的參數(shù)略有降低；此外在陶瓷介質(zhì)和底面的帶狀線功分器之間存在一定的空氣間隙也導(dǎo)致等效介電常數(shù)偏低，所以環(huán)形貼片的諧振頻率略有升高.這也就導(dǎo)致天線的最大增益點(diǎn)出現(xiàn)了一些偏移.通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，在陶瓷介質(zhì)和底部的帶狀線介質(zhì)之間存在的0.1mm的空氣間隙會(huì)使得天線的諧振頻率從1.56GHz偏移1.61GHz.

圖5展示了天線在其最大增益點(diǎn)（1.61GHZ）處的方向圖.天線在x-z平面和y-z平面內(nèi)的交叉極化比主極化低20dB以上；并且在這兩個(gè)平面內(nèi)都有超過(guò)115°的半功率波束寬度.有鑒于此，該天線可以有效地接收較大傾角處的衛(wèi)星發(fā)出的定位／導(dǎo)航信號(hào).這對(duì)于處于建設(shè)期的北斗II代以及Galileo系統(tǒng)而言是必須的.因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星數(shù)目較少，必然出現(xiàn)小傾角范圍內(nèi)衛(wèi)星數(shù)目不夠而另一些衛(wèi)星處于較大傾角的情況.有了這樣的天線就能較好地接收更多衛(wèi)星的信號(hào)、實(shí)現(xiàn)不間斷工作.

圖4 天線的增益測(cè)試曲線

圖5 天線在1.61GHz的方向圖測(cè)試曲線

3 結(jié) 論

提出的陶瓷圓極化天線比傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)圓極化貼片天線縮小了約89.7%.天線中所有的金屬線路通過(guò)印刷／蝕刻方式實(shí)現(xiàn)，并附著在固體介質(zhì)表面，所以這種天線非常適宜于大批量生產(chǎn).此外，由于采用了正交饋電方式，天線的軸比帶寬達(dá)到了32%，而阻抗帶寬也達(dá)到了28%以上.天線的饋電網(wǎng)絡(luò)處于天線陶瓷體的背面，除了使天線的整體厚度增加1.53mm之外，它完全沒(méi)有占據(jù)額外的空間.天線的最大增益為3.9dBic，在x-z，y-z平面的半功率波束寬度達(dá)到了115°，允許它覆蓋較大傾角的衛(wèi)星.

［1］JI S Y，CHEN W，DING X L，et al.Potential benefits of GPS／GLONASS／GALILEO integration in an urban Canyon-Hong Kong［J］.J Navigation，2010，63（4）：681-693.

［2］DAHELE J S，LEE K F.Characteristics of annularring microstrip antenna［J］.Electron Lett，1982，18（24）：1051-1052.

［3］ROW J S.Dual-frequencycircularly polarized annularring microstrip antenna［J］.Electron Lett，2004，40（4）：153-154.

［4］CHEN H M，WONG K L.On the circular polarization operation of annular-ring microstrip antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1999，47（8）：1289-1292.

［5］XUE Q，QU S W.Compact loaded slot ring antenna for circularly polarized radiation［J］.Electron Lett，2009，45（17）：866-867.

［6］GUO Y X，BIAN L，SHI X Q.Broadband circularly polarized annular-ring microstrip antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2009，57（8）：2474-2477.

［7］GUO Y X，LUK K M，LEE K F.L-probe proximityfed annular ring microstrip antennas［J］.IEEE Trans.Antennas Propag，2001，49（1）：19-21.

［8］VANDENBOSCH G A E，VAN DE CAPELLE A R.Study of the capacitively fed microstrip antenna element［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1994，42（12）：1648-1652.

［9］WONG K L，CHIOU T W.Broad-band single-patch circularly polarized microstrip antenna with dual capacitively coupled feeds［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2001，49（1）：41-44.