新型緊湊的寬頻帶圓極化問號形天線

李曉丹,張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院,山西 太原 030006)

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,具有輻射特性的圓極化天線在遙感遙測、空間飛行器、海上通信以及無線通信的眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。相對于傳統(tǒng)的線極化天線來說,圓極化天線具有抑制雨霧干擾,減小多徑反射,以及增強(qiáng)接收信號穩(wěn)定性等優(yōu)勢[2]。常用的圓極化天線通常采用螺旋天線、微帶天線等形式,微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、成本低,所需空間小[3]。文獻(xiàn)中提到了實現(xiàn)圓極化的多種方法,例如方形貼片嵌入加號形槽[4-5]、三角形槽[6]、梯形槽[7],圓形貼片嵌入對數(shù)螺旋槽[8]、扇形槽[9]等,均可實現(xiàn)天線的圓極化輻射。為了得到寬的阻抗帶寬和軸比帶寬,文獻(xiàn)[10]提出包含6個旋渦槽的天線,文獻(xiàn)[11]利用在每個過孔周邊腐蝕橢圓形槽的天線,文獻(xiàn)[12]設(shè)計出8個寄生環(huán)形結(jié)構(gòu)的天線,文獻(xiàn)[13]利用貼片層與接地層的8對彎曲偶極子,分別實現(xiàn)了51.7%、19%、14%、19.6%的可用帶寬,以上4種天線具有較大的尺寸和剖面。為了得到低剖面緊湊型的圓極化天線,文獻(xiàn)[14]利用介電常數(shù)為3.5,厚度為1.52 mm的RF-35介質(zhì)板,通過在貼片層添加兩個月牙形槽的天線,得到寬頻帶圓極化天線。文獻(xiàn)[15]利用腐蝕方形貼片對角線的方法減小天線尺寸,改善阻抗匹配,實現(xiàn)寬頻帶圓極化輻射。文獻(xiàn)[16-18]分別利用貼片層的U型槽、C型貼片、背對的月牙形輻射貼片,得到可用帶寬分別為110.5%、65.2%、87%的微帶圓極化貼片天線。文獻(xiàn)[19-20]分別利用傳統(tǒng)縫隙天線上腐蝕六邊形結(jié)構(gòu),兩個圓形偏心環(huán)貼片,均實現(xiàn)在兩個頻點工作的寬頻帶圓極化天線。

本文提出了一種新型的寬頻帶問號型圓極化天線。此天線通過在矩形接地板上刻蝕扇形凹槽,以及在貼片層選用新型的問號形結(jié)構(gòu),得到了緊湊型的圓極化天線,實現(xiàn)了寬的阻抗帶寬和軸比帶寬。此天線的阻抗帶寬為60.79%(3.95～7.4 GHz),軸比帶寬為34.67%(4.65～6.6 GHz),可以工作在5.8 GHz的ISM頻段。

1 問號形天線結(jié)構(gòu)

本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,問號形天線的頂層包括問號形結(jié)構(gòu),中間層為介質(zhì)基板,底層為刻蝕扇形凹槽的矩形接地板。天線頂層的問號形結(jié)構(gòu),其內(nèi)、外半徑分別為r1、r2,天線的底層為刻蝕了扇形凹槽的接地板,扇形的圓心與頂層問號型結(jié)構(gòu)的圓心重合,其扇形所在圓的半徑為r3。利用三維電磁仿真軟件HFSS對天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理,優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。本天線選用介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.01,厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)基板,尺寸為28 mm×26 mm×1.6 mm.

Fig.1 Configuration of antenna圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

參數(shù)數(shù)值/mm參數(shù)數(shù)值/mm w26r311 l28l110 r17l210 r29.5w12

為了驗證問號形天線產(chǎn)生圓極化的原理,圖2給出了天線在5.8 GHz時,一個周期內(nèi)的表面電流分布圖。從圖2的四幅圖中可以看出,天線的電流隨著相位的增加逆時針旋轉(zhuǎn),從而天線形成了右旋圓極化。將貼片層的問號型結(jié)構(gòu)反向放置,即可得到左旋圓極化。

Fig.2 Current distribution of antenna at 5.8 GHz圖2 天線在5.8 GHz時的電流分布

2 問號形天線參數(shù)分析

通過對天線進(jìn)行敏感性分析,發(fā)現(xiàn)接地板的扇形凹槽對天線性能影響較大。圖3是給出了接地板有無扇形凹槽對天線性能的影響。從圖3(a)可以看出,當(dāng)接地板沒有扇形凹槽時,天線的S11在6.85 GHz到7.7 GHz的范圍內(nèi)小于-10 dB,天線的軸比均在3 dB以上;當(dāng)接地板加上扇形凹槽時,天線的S11在3.95 GHz到7.4 GHz的范圍內(nèi)小于-10 dB,天線的軸比在4.65 GHz到6.85 GHz的范圍內(nèi)小于3 dB。

接地板刻蝕扇形凹槽可以擴(kuò)展天線阻抗帶寬，可以通過天線的輸入阻抗來證明如圖3(b),擴(kuò)展軸比帶寬可以通過天線的幅度和相位，證明如圖3(c)和(d)。由圖3(b)可以看出,接地板未刻蝕扇形凹槽時,只在7.4 GHz附近,天線的實部接近50 Ω,虛部接近0 Ω。在接地板上刻蝕扇形凹槽后,由4.25 GHz到7.5 GHz范圍內(nèi),天線輸入阻抗的實部趨于50 Ω,虛部趨于0 Ω,因此天線得到了寬的阻抗帶寬。由圖3(c)可以明顯看出,當(dāng)天線接地板未刻蝕扇形凹槽時,天線的幅度Eφ比Eθ大很多,當(dāng)天線刻蝕扇形凹槽后,幅度Eφ沒有太大變化,Eθ增大到與Eφ近似相等。由圖3(d)可看出,天線有無刻蝕扇形凹槽對天線相位δφ無太大影響,當(dāng)刻蝕扇形凹槽后,天線相位δθ減小,相位差趨于90°,此時天線的幅度相等相位相差90°,可得到寬的軸比帶寬。

圖4是矩形接地板的參數(shù)l2對天線反射系數(shù)和軸比的影響。由圖4可以看出,參數(shù)l2對天線的阻抗帶寬影響不大,但是對天線的軸比帶寬有較大影響。當(dāng)l2=8 mm時,天線的軸比帶寬為4.3 GHz～5 GHz,當(dāng)l2=10 mm時,天線軸比帶寬變?yōu)?.65 GHz～6.6 GHz,當(dāng)l2=12 mm時,天線的軸比帶寬為4.95 GHz～6.4 GHz。綜合分析考慮,選取參數(shù)l2=10 mm。

圖5是問號形貼片層的參數(shù)l1對天線反射系數(shù)和軸比的影響。由圖5可以看出,當(dāng)l1=10 mm時,天線工作的阻抗帶寬和軸比帶寬分別為3.95 GHz～7.4 GHz和4.65 GHz～6.6 GHz.當(dāng)l1=8 mm時,天線的S11在3.9 GHz到7.3 GHz的范圍內(nèi)小于-10 dB,而天線的軸比在5.25 GHz到7.25 GHz的范圍內(nèi)小于3 dB.當(dāng)l1=12 mm時,天線的S11在3.95 GHz到7.1 GHz的范圍內(nèi)小于-10 dB,天線的軸比帶寬變?yōu)?.3 GHz～6.25 GHz。可見,參數(shù)l1對天線的阻抗帶寬和軸比帶寬均有較大影響,因此選取l1=10 mm。

(a)S11and AR, (b) input impedance, (c) amplitude of the electric field, (d) phase of the electric field.Fig.3 Effect of ground plate with or without fan-shaped slot on antenna performance(a) S11和AR (b)輸入阻抗 (c)幅度 (d)相位圖3 接地板有無扇形凹槽對天線性能的影響

Fig.4 Effect ofl2onS11and AR圖4 l2對S11和軸比的影響

Fig.5 Effect ofl1onS11and AR圖5 l1對S11和軸比的影響

3 天線仿真結(jié)果

圖6是天線的反射系數(shù)與軸比曲線。從圖中可以看出,天線的-10 dB阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬分別為3.95 GHz～7.4 GHz和4.65 GHz～6.6 GHz。圖7分別給出了問號形天線在中心頻率5.65 GHz的xoz平面和yoz平面的輻射方向圖。從圖中可以看出本文所提出的天線是雙向輻射天線,在+z方向上產(chǎn)生右旋圓極化,在-z方向上產(chǎn)生左旋圓極化。圖8給出了天線的峰值增益圖,天線在7 GHz時取得最大峰值增益值為4.58 dBi。

Fig.6 Reflection coefficient and axial ratio of antenna圖6 天線的反射系數(shù)和軸比

(a)x-zplane;(b)y-zplaneFig.7 Radiation patterns of the proposed antenna at center frequency 5.65 GHz(a)x-zplane;(b)y-zplane圖7 天線在中心頻率5.65 GHz的輻射方向圖

Fig.8 Gain of the proposed antenna圖8 天線的增益

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款應(yīng)用于5.8 GHz 的ISM頻段的新型寬頻帶問號形圓極化天線。此天線通過貼片層的問號型結(jié)構(gòu)以及在接地板層刻蝕扇形凹槽,有效地擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬和軸比帶寬,并得到較高的增益。本論文設(shè)計的天線是一個雙向輻射天線,在+z方向上產(chǎn)生右旋圓極化,在-z方向上產(chǎn)生左旋圓極化。將天線的問號形結(jié)構(gòu)反向放置后,即可在+z方向上得到左旋圓極化,在-z方向上產(chǎn)生右旋圓極化。本文提出的問號形結(jié)構(gòu)緊湊新穎,它可以應(yīng)用于ISM頻段的微波頻段,性能滿足實際應(yīng)用要求。