一種新型雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

一種新型雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

蘇丹,朱永忠,鄧欣,劉穎

(武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì),陜西 西安710086)

摘要針對微帶天線存在固有頻段窄、輻射效率低,且難以獲得高增益的問題,設(shè)計(jì)制作了一種新型雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線。天線貼片單元采用由槽型環(huán)和帶狀環(huán)組成的槽帶狀結(jié)構(gòu)。槽型環(huán)和帶狀環(huán)分別在頻率較低部分和頻率較高部分各提供一個(gè)最小軸比值,通過兩個(gè)最小軸比值的適當(dāng)結(jié)合達(dá)到明顯的帶寬增強(qiáng)效果。天線利用寬帶巴倫結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電,有效增強(qiáng)了阻抗匹配。通過參數(shù)優(yōu)化和實(shí)物制作,仿真與實(shí)測結(jié)果表明,該天線的阻抗帶寬(VSWR≤2)和3 dB軸比帶寬分別達(dá)到了37%和29.8%,增益達(dá)到6.4 dB。

關(guān)鍵詞雙環(huán);寬帶圓極化;微帶天線

收稿日期:2015-06-13

基金項(xiàng)目:國家自然基金資助項(xiàng)目(61302051);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012JQ8026);武警工程大學(xué)基礎(chǔ)基金資助項(xiàng)目(WJY201309)

作者簡介:蘇丹(1990—),女,碩士研究生。研究方向:微波技術(shù)與天線。E-mail:sudan19901021@sina.com。朱永忠(1980—),男,博士后,副教授,博士生導(dǎo)師。研究方向:電磁場數(shù)值計(jì)算等。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.042

中圖分類號(hào)TN821+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

A Novel Design of the Dual Loop Broadband Circularly Polarized Microstrip Antenna

SU Dan,ZHU Yongzhong,DENG Xin,LIU Ying

(Graduate Brigade,Engineering University of CAPF,Xi’an 710086,China)

AbstractA new type of dual loop broadband circularly polarized antenna is designed and fabricated to overcome the microstrip antenna’s disadvantages of narrow inherent frequency band,low radiation efficiency,and small possibility of high gains.The patch unit of the antenna uses the slot/strip configuration composed of a slot loop and a strip loop.The slot loop offers a minimum AR point at a lower frequency while the strip loop offers a minimum AR point at a higher frequency.An appropriate combination of the two minimum AR points can result in a significant enhancement for the circularly polarized bandwidth.A broadband balun is used for the feeding of the antenna and the impedance matching.Simulation and measurement results of the fabricated antenna with optimized parameters exhibit a broadband impedance bandwidth (VSWR≤2) of,37% an axial ratio (≤3 dB) of 29.8%,and a gain up to 6.4 dB.

Keywordsdual loop;broadband circularly polarized;microstrip antenna

在天線的研究設(shè)計(jì)中,微帶天線由于具有體積小、剖面低、重量輕、易集成、可共形等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛青睞,但也存在固有頻段窄、輻射效率低和難獲高增益的缺點(diǎn)。而由于圓極化天線擁有可接受任意來波、旋向正交性、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢,高性能的圓極化微帶天線的需求越來越多、應(yīng)用越來越廣泛。在諸多應(yīng)用中,人們希望天線可工作在更寬的頻段,以確保更多功能的實(shí)現(xiàn)。因此設(shè)計(jì)者們相繼提出了一些展寬圓極化微帶天線帶寬的方法。例如通過威爾金森功分器和90°相位比較器的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電[1],采用內(nèi)側(cè)帶有U形槽的環(huán)形槽狀微帶天線[2],使用單饋堆疊微帶貼片天線[3],采用厚的介電常數(shù)較低的基質(zhì)來增強(qiáng)帶寬[4],利用連續(xù)旋轉(zhuǎn)技術(shù)配合多個(gè)單元堆疊微帶天線陣列加大帶寬[5],運(yùn)用準(zhǔn)互補(bǔ)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)帶寬[6],通過調(diào)節(jié)饋電微帶線上的正交枝節(jié)利用共面波導(dǎo)饋電達(dá)到寬帶效果[7]等。然而上述的幾種天線或尺寸過大,不便于集成或共形;或饋電網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜,不便于制作;或是堆疊結(jié)構(gòu)層數(shù)多,增加了建造費(fèi)用;或展寬帶寬的同時(shí)增益較低,不夠優(yōu)化。

以往環(huán)狀天線通常用于線極化天線[8],近些年來,通過研究發(fā)現(xiàn),若適當(dāng)?shù)脑诃h(huán)上開口也可使環(huán)狀天線輻射圓極化波[9-12]。饋電結(jié)構(gòu)中寬帶巴倫廣泛應(yīng)用于印刷偶極子天線,但應(yīng)用于圓極化環(huán)狀天線則較少見。本文將環(huán)狀結(jié)構(gòu)和寬帶巴倫結(jié)構(gòu)應(yīng)用于同一個(gè)天線并通過調(diào)試得到良好性能。

為實(shí)現(xiàn)天線性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的平衡,同時(shí)獲有較高增益,本文提出了一種新型雙環(huán)寬帶圓極化天線。其中,槽帶狀結(jié)構(gòu)的貼片可顯著增強(qiáng)帶寬,微帶線-縫隙耦合結(jié)構(gòu)的寬帶巴倫的饋電形式有效增強(qiáng)了阻抗匹配。實(shí)測及仿真結(jié)果顯示天線的阻抗帶寬(VSWR≤2)達(dá)到了37%,3 dB軸比帶寬達(dá)到了29.8%。

1天線設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)的雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,側(cè)視圖如圖2和圖3所示。天線系統(tǒng)包括3部分:分別為雙環(huán)結(jié)構(gòu)的微帶天線單元、寬帶巴倫結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)和接地板。水平天線單元和垂直饋電網(wǎng)絡(luò)分別印刷在兩塊Rogers RT/duroid 5880介質(zhì)板上,介質(zhì)基板厚度0.254 mm,介電常數(shù)2.2。

圖1　雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線

圖2　雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線側(cè)視圖正面

圖3　雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線側(cè)視圖背面

圖4　槽帶狀結(jié)構(gòu)合成原理圖

槽帶狀結(jié)構(gòu)中,槽型環(huán)負(fù)責(zé)在頻率較低部分貢獻(xiàn)一個(gè)最小軸比值,帶狀環(huán)負(fù)責(zé)在頻率較高部分貢獻(xiàn)另一個(gè)最小軸比值。兩個(gè)軸比值的適當(dāng)結(jié)合可產(chǎn)生明顯的帶寬增強(qiáng)效果,遠(yuǎn)好于兩種環(huán)單獨(dú)工作時(shí)產(chǎn)生的帶寬。

寬帶巴倫位于垂直介質(zhì)板上,巴倫正面印刷了一條近似于鉤形的微帶線,特性阻抗為50 Ω,背面通過開槽和切角的方式形成一個(gè)漸變開槽結(jié)構(gòu),通過利用印刷在介質(zhì)板一側(cè)的微帶線和蝕刻在另一側(cè)的開槽結(jié)構(gòu)相耦合可激起一個(gè)平衡模式。同時(shí)漸變的開槽結(jié)構(gòu)在理論上有較寬的頻帶和好的時(shí)域特性。通過調(diào)整槽的長度lk、高度hm以及微帶線的長度lm能夠獲得良好的阻抗匹配。寬帶巴倫的下方與SMA射頻接頭相連接。具體參數(shù)如表1所示。其中,通過調(diào)節(jié)天線單元的總長度Lc、兩環(huán)之間的距離wa以及寬帶巴倫背側(cè)部分小三角形的高度hf能獲得較好的駐波比性能;通過調(diào)節(jié)天線單元的寬度Wc以及缺口的位置可獲得較好的軸比性能。

表1　天線各參數(shù)值　/mm

2天線仿真與測試

根據(jù)上述天線結(jié)構(gòu),結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)值,利用基于有限元法的高頻電磁仿真軟件HFSS13進(jìn)行仿真,可對天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)例如阻抗帶寬、軸比、增益、輻射方向圖等進(jìn)行分析和優(yōu)化。圖5是天線工作在6 GHz時(shí)調(diào)節(jié)各參數(shù)對電壓駐波比的影響。

調(diào)節(jié)過程中,保證其他參數(shù)不變,觀察單一參數(shù)對電壓駐波比的影響。

圖5(a)是改變天線單元寬度Wc時(shí)VSWR的變化情況,分別取Wc為24.8 mm、25 mm和25.2 mm。發(fā)現(xiàn)以Wc=25 mm為界,當(dāng)Wc增大或減小時(shí),雖然VSWR最低點(diǎn)有所降低,但整體帶寬明顯減小。Wc=25 mm時(shí)的性能最佳。

圖5(b)為調(diào)整兩環(huán)之間距離wa對VSWR的影響。令wa的值分別為0.3 mm、0.5 mm和0.7 mm,可以看出,當(dāng)wa逐漸增大時(shí),VSWR帶寬范圍呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,因此取wa=0.3 mm為最優(yōu)值。

圖5　調(diào)節(jié)各參數(shù)對電壓駐波比的影響

用同樣的方法分析天線單元總長度Lc和寬帶巴倫背側(cè)部分小三角形高度hf對VSWR的影響,具體曲線分別如圖5(c)和圖5(d)所示。經(jīng)觀察總結(jié),固定其它參數(shù)值不變的前提下,當(dāng)天線單元總長度Lc逐漸增大時(shí),帶寬先增大后減小,在53.2 mm時(shí)達(dá)到最好效果。寬帶巴倫背側(cè)部分小三角形高度hf的改變對VSWR的最小值影響不大,但對帶寬有一定的影響,令hf先后取得0.3 mm、0.5 mm和0.7 mm時(shí),VSWR帶寬隨hf的減小呈逐漸增大趨勢,取其中帶寬最大的,hf=0.3 mm時(shí)為最優(yōu)值,性能最佳。

通過觀察仿真結(jié)果,分析各參數(shù)對性能效果的影響,并對其他參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,得到最后的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

樹木在視覺環(huán)境上是繁雜的，因此你最好靈活選擇一支變焦鏡頭，比如70-200mm來簡化畫面，壓縮樹木的透視，創(chuàng)造一個(gè)緊密的視野。沿用傳統(tǒng)的構(gòu)圖三等分原則，即地平線在下1/3處，讓枝葉填滿畫幅的上半部分。整體畫面充分體現(xiàn)森林的繁茂，帶給觀眾最直觀的沖擊。

表2　天線參數(shù)優(yōu)化值　/mm

圖6　天線實(shí)物照片

天線軸比的仿真與實(shí)測結(jié)果對比圖如圖8所示,軸比帶寬達(dá)到了。增益曲線仿真結(jié)果如圖10所示。

如圖7所示,天線實(shí)測曲線在4.6～6.91 GHz頻帶內(nèi)電壓駐波比均<2,阻抗帶寬達(dá)到了37%;仿真曲線電壓駐波比<2的頻帶范圍是5.08~7.38 GHz,帶寬為38.3%。

圖7　天線電壓駐波比仿真與測試結(jié)果

圖8給出了天線軸比仿真與測試結(jié)果對比圖。由圖可知,實(shí)測曲線軸比≤3的頻帶范圍是5.82～7.61 GHz,軸比帶寬為29.8%;仿真曲線軸比≤3的頻帶范圍是5.98～7.58 GHz,軸比帶寬為26.7%。

圖8　天線軸比仿真與測試結(jié)果

圖9是天線工作在6 GHz時(shí)的輻射方向圖。由圖可知,天線激勵(lì)起的是右旋圓極化波(RHCP),最佳增益效果可達(dá)到6.4 dB,具體天線增益仿真曲線如圖10所示。

圖9　天線仿真輻射方向圖

圖10　天線增益仿真結(jié)果

通過對比可知,實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好,進(jìn)一步驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的正確性和合理性。部分偏差可能來源于天線加工制作誤差以及測量誤差等因素。

3結(jié)束語

設(shè)計(jì)并制作了一種新型雙環(huán)寬帶圓極化微帶天線,單元采取寬帶巴倫饋電,尺寸小,結(jié)構(gòu)較為對稱。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明,天線主要性能參數(shù)阻抗帶寬和軸比帶寬分別達(dá)到了37%和29.8%,增益達(dá)到了6.4 dB,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和合理性,具有一定的參考應(yīng)用價(jià)值。

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