基于阿基米德螺旋縫隙的寬帶圓極化天線設(shè)計(jì)

王 宸

(中國西南電子技術(shù)研究所,四川 成都 610036)

0 引 言

眾所周知，當(dāng)圓極化波到達(dá)均勻物體時(shí)會(huì)反射極化反向的圓極化波。此外，圓極化天線可以接收任意極化來波的同時(shí)，它的散射波也可以被任意極化天線所接收[1]。因此,為了發(fā)射和接收天線可以靈活定向且避免嚴(yán)重的極化失配，圓極化天線在雷達(dá)、無線通信和導(dǎo)航等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[2-4]。而印刷天線由于低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的優(yōu)點(diǎn)也同樣受到關(guān)注。因此圓極化印刷微帶天線成為大量學(xué)者的研究方向。

在近幾年的圓極化天線研究中，雙饋圓極化天線比單饋圓極化天線具有更寬的阻抗帶寬和軸比帶寬。但為了達(dá)到雙饋點(diǎn)90°的相位差，往往需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)[5]。如何利用單點(diǎn)饋電達(dá)到寬帶圓極化，成為了圓極化天線的新課題。國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量研究，設(shè)計(jì)了多種天線形式(如介質(zhì)諧振天線[6]、可重構(gòu)貼片天線[7]、單極天線[8]以及印刷縫隙天線[9-10])。雖然上述天線均提高了圓極化工作帶寬，但最大的3 dB軸比帶寬仍然小于40%。

本文提出一種基于阿基米德螺旋漸變結(jié)構(gòu)的寬帶印刷圓極化天線。該天線由漸變的微帶線饋電，通過槽線-微帶過渡將微帶饋線與漸變縫隙輻射結(jié)構(gòu)連接，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)得到較寬的軸比和阻抗帶寬。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1為天線結(jié)構(gòu)示意圖。天線介質(zhì)板厚1.5 mm，長寬為55 mm×55 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4。射頻信號(hào)通過射頻接頭傳輸?shù)轿Ь€，再耦合到縫隙線。微帶線可以與SMA射頻接頭焊接，從而使天線可以與基于印刷電路板(PCB)的射頻電路相連，降低制造成本。其中W1為梯形漸變微帶線的起始寬度，W2為最終寬度。為避免微帶饋電線超出縫隙線邊沿，耦合到輻射縫隙內(nèi)部影響輻射特性，在漸變微帶線頂端加載T形結(jié)構(gòu)。最終射頻信號(hào)在寬度漸變縫隙兩邊形成表面波，從而激勵(lì)起圓極化波。2條螺旋線F1，F(xiàn)2和弧線F3形成了輻射縫隙。F1以O(shè)點(diǎn)為中心的極坐標(biāo)方程可表示為：

r=k+S1·φ，φ=[t1,2π]

(1)

F2以O(shè)點(diǎn)為中心的極坐標(biāo)方程為：

r=k+ku+S2·φ，φ=[t2,2π]

(2)

式中：k為螺旋線起始半徑；ku為漸變縫隙的初始寬度(即F1與F2在φ=0時(shí)之間的距離)；S1、S2分別為2條螺旋線的漸變常數(shù)；φ為方位角；r為原點(diǎn)O到曲線上任意一點(diǎn)的距離；t1，t2分別為2條螺旋線方位角φ的起始值。

利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真，最后得到天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖 (淺色為上層覆銅、深色部分為下層覆銅，無色部分為縫隙)

2 結(jié)果與討論

為了研究天線主要尺寸參數(shù)對(duì)主要電性能(電壓駐波比和軸比)的影響，利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真分析。圖2、圖3、圖4分別給出了主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(k、S1、g)取值不同時(shí)，天線電壓駐波比和軸比對(duì)應(yīng)的變化曲線。

圖2 (a)和(b)給出了漸變縫隙的起始半徑k取不同值時(shí)，對(duì)天線電性能影響的仿真結(jié)果。從圖2中可以看出，隨著參數(shù)k不斷加大，天線諧振點(diǎn)(即駐波比最小點(diǎn))逐漸移動(dòng)到較低頻率。同時(shí)軸比帶寬變窄。

圖2 參數(shù)k對(duì)天線電性能的影響

圖3(a)和(b)分別為參數(shù)S1、S2對(duì)駐波比和軸比影響的仿真曲線。從圖3可以看出，隨著參數(shù)S1、S2的增加，電壓駐波比曲線抖動(dòng)明顯，同時(shí)諧振點(diǎn)會(huì)移向較低頻率方向；高頻部分軸比變差，低頻部分軸比變化無規(guī)律。

圖3 參數(shù)S1、S2對(duì)天線電性能的影響

圖4的(a)和(b)為g取值不同時(shí)，天線駐波比和軸比的仿真結(jié)果。從圖中看出，隨著g逐漸增長，電壓駐波比曲線抖動(dòng)減弱，同時(shí)帶寬變窄；軸比帶寬先變寬，后變窄。

圖4 參數(shù)g對(duì)天線電性能的影響

經(jīng)過不斷優(yōu)化，最優(yōu)參數(shù)下天線阻抗帶寬仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯妷厚v波比小于2的阻抗帶寬范圍從3.2 GHz到6.5 GHz，相對(duì)于中心頻率4.9 GHz的相對(duì)帶寬達(dá)到67%。圖6給出了天線軸比仿真結(jié)果。可以看出，該天線的3 dB軸比帶寬范圍從4 GHz到6.4 GHz，相對(duì)于中心頻率5.2 GHz的相對(duì)帶寬達(dá)到了46%。

圖5 天線電壓駐波比曲線

圖6 天線軸比曲線

圖7為天線在4 GHz、5 GHz和6 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)處的輻射方向圖。從不同切面(圖1中所示坐標(biāo)系下的X-Z和Y-Z面)的方向圖可以看出天線具有良好的圓極化輻射性能。

圖7 天線的輻射方向圖

圖8給出了4～6.4 GHz范圍內(nèi)天線最大增益曲線。從圖中可以看出，天線具有大于等于4.6 dBic的增益，帶寬內(nèi)波動(dòng)在0.7 dB以內(nèi)。

圖8 天線的增益曲線

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于阿基米德螺旋縫隙的寬帶圓極化天線。從優(yōu)化后的結(jié)果可以看出3 dB軸比帶寬達(dá)到了46%(4～6.4 GHz)，阻抗帶寬達(dá)到了67% (3.2～6.5 GHz)，而且最大增益也達(dá)到了4.5 dBic以上(4～6.4 GHz)。因此，該天線具備帶寬特性以及良好的圓極化輻射方向圖和增益，可以滿足圓極化無線通信系統(tǒng)對(duì)寬頻帶的需求。