一種Z形寬頻帶圓極化天線設(shè)計(jì)

王洪琳，王孟宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

現(xiàn)代無(wú)線通信中越來(lái)越多地應(yīng)用圓極化天線，因?yàn)樗鼈兛梢砸种贫鄰礁蓴_并減輕發(fā)射天線與接收天線之間的極化失配。由于微帶天線具有低剖面和低成本等優(yōu)勢(shì)，人們通常利用微帶天線得到圓極化特性[1-4]。然而，微帶天線固有的窄帶特性限制了其在寬帶圓極化天線中的應(yīng)用，特別是對(duì)于單饋圓極化微帶天線[3-4]。為了提高軸比帶寬，人們已經(jīng)提出了很多有效的方法。例如：文獻(xiàn)[5]通過(guò)加載寄生結(jié)構(gòu)展寬軸比帶寬；文獻(xiàn)[6]采用具有金屬通孔和分支的交叉偶極子來(lái)實(shí)現(xiàn)29.0%的軸比帶寬；文獻(xiàn)[7]采用環(huán)天線結(jié)構(gòu)，并加載寄生結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)30%的軸比帶寬；文獻(xiàn)[8]引入重疊的正方形環(huán)形天線，可以產(chǎn)生33%的軸比帶寬和53%的阻抗帶寬；采用L形槽產(chǎn)生正交模式激發(fā)圓極化波，天線具有47.8%的軸比帶寬。但是，這些具有超過(guò)30%軸比帶寬的天線[8-11]由于其不對(duì)稱結(jié)構(gòu)而具有較差的方向圖。文獻(xiàn)[12-14]提出一些帶有各種饋電網(wǎng)絡(luò)的寬帶圓極化天線，但是它們的結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用而言太過(guò)復(fù)雜。

因此，文獻(xiàn)[15]提出采用Z形偶極子激發(fā)圓極化波，通過(guò)增加一對(duì)寄生貼片以得到寬帶特性。本文在其基礎(chǔ)上，采用Γ形饋電結(jié)構(gòu)，并通過(guò)開(kāi)圓形槽、增加枝節(jié)來(lái)進(jìn)一步改善軸比帶寬。仿真結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬為80%，軸比帶寬為58%。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

Z形圓極化偶極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由開(kāi)圓形槽的Z形偶極子、兩對(duì)寄生貼片Pa與Pb、Γ形饋電結(jié)構(gòu)以及地板組成。其中，偶極子和寄生貼片印刷在天線頂部的FR4介質(zhì)板下表面，介質(zhì)板的尺寸為125 mm×125 mm×0.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02。偶極子前端采用錐形設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的阻抗匹配。偶極子與地板之間形成磁電偶極子結(jié)構(gòu)，等效磁偶極子中間是Γ形饋電結(jié)構(gòu)，下端與一個(gè)50 Ω的微帶轉(zhuǎn)接頭(SMA)連接器相連接。最下方的正方形地板邊長(zhǎng)為170 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)將偶極子臂彎曲成L形，可以獲得圓極化特性。為了分析圓極化的工作原理，圖2給出了3個(gè)頻點(diǎn)處偶極子和寄生貼片上的表面電流分布，其中黑色箭頭表示經(jīng)過(guò)疊加之后總電流的方向。

在1.9 GHz時(shí)，電流在偶極子與寄生貼片表面分布，當(dāng)相位等于0°時(shí)，偶極子臂表面的電流向+y方向流動(dòng)，而寄生貼片表面的電流向+x方向流動(dòng)；而當(dāng)相位等于90°時(shí)，偶極子臂與寄生貼片表面電流沿著-x和+y方向流動(dòng)，疊加后的總電流方向與0°相位時(shí)的方向正交，并且隨著相位的增加沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，因此疊加之后的總場(chǎng)形成右旋圓極化。在2.5 GHz時(shí)，90°相位時(shí)疊加后的總電流方向與0°相位時(shí)的總電流方向正交，并且隨著相位的增加沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)右旋圓極化。同理，在3 GHz時(shí)，0°相位時(shí)的總電流方向沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°，形成右旋圓極化波。

圖2 表面電流分布圖

2 仿真分析

圖3、圖4和圖5分別給出了天線駐波比、軸比以及增益的仿真結(jié)果。結(jié)果表明天線在1.50～3.52 GHz工作頻段內(nèi)，駐波比小于2；在1.79～3.27 GHz頻段內(nèi)，軸比小于3 dB。另外，在整個(gè)工作頻段(1.79～3.27 GHz)內(nèi)增益保持穩(wěn)定，且均大于3.4 dBic。

圖3 天線駐波比曲線

圖4 天線軸比曲線

圖5 天線增益曲線

從圖中可以看出，在1.50～3.52 GHz的頻帶內(nèi)，駐波比小于2，天線阻抗匹配較好；在1.79～3.27 GHz的頻帶內(nèi)，軸比小于3 dB。在整個(gè)工作頻帶(1.79～3.27 GHz)內(nèi)，天線增益比較穩(wěn)定，且在1.7～2.9 GHz的頻段內(nèi)增益較高。

圖6給出了天線在1.9 GHz、2.5 GHz以及3.0 GHz的歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，包括XOZ平面和YOZ平面，從圖中可以看出，天線在工作頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的右旋圓極化模式，其中，天線中高頻輻射方向圖的最大值偏移是由于天線結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的影響。

圖6 天線的歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)一步研究了單饋偶極子圓極化天線，為設(shè)計(jì)寬帶偶極子圓極化天線提供了一種有效的方法。在傳統(tǒng)偶極子天線基礎(chǔ)上通過(guò)將偶極子臂彎折為L(zhǎng)形，調(diào)整長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)天線圓極化特性，并通過(guò)增加寄生貼片、調(diào)整貼片尺寸的方法來(lái)改善阻抗帶寬，通過(guò)增加枝節(jié)以及開(kāi)圓形槽的方式提高軸比帶寬，不斷優(yōu)化并進(jìn)行仿真，使得該天線在1.50～3.52 GHz的頻帶內(nèi)滿足VSWR<2，在1.79～3.27 GHz的工作頻帶內(nèi)滿足AR<3，平均增益為8 dBic。由仿真數(shù)據(jù)可知，實(shí)現(xiàn)了天線在相應(yīng)頻段內(nèi)的圓極化以及超寬帶特性，用以提升天線的抗多徑干擾、抑制雨霧干擾，并且能夠增加信道容量，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了一種較為簡(jiǎn)單合理的設(shè)計(jì)方法。

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