應(yīng)用于多模系統(tǒng)中的寬帶圓極化天線

商 鋒, 茍?zhí)耢o

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

為了提高衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度，擴大定位導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍，實踐中通常組合應(yīng)用多種導(dǎo)航系統(tǒng)。這種多模系統(tǒng)通常采用圓極化微帶天線來接收電磁波[1-2]。由于圓極化天線的固有頻率范圍較窄，為了保證多模系統(tǒng)通信鏈路的暢通，在實際工程應(yīng)用中大多采用安裝多跟天線的方式來實現(xiàn)多模系統(tǒng)中多路信號寬頻帶內(nèi)的傳輸[3]。當(dāng)一個系統(tǒng)中同時使用多個不同頻段的天線時，天線之間的電磁耦合效應(yīng)會惡化系統(tǒng)的性能，影響信息的正常收發(fā)。采用具有寬頻帶特性的單個圓極化微帶天線是解決上述問題的有效方法[3]。

常用的微帶天線為交叉偶極子天線，其阻抗帶寬一般在30%～50%之間，軸比帶寬為6%左右，天線的輻射能力和圓極化性能有限[4]。拓寬交叉偶極子阻抗帶寬和軸比帶寬的方式有多種，如改變傳統(tǒng)交叉偶極子臂的結(jié)構(gòu)[5]可以提升天線的阻抗帶寬10%～20%，拓展軸比帶寬15%左右，使得在工作頻段內(nèi)天線均能產(chǎn)生輻射波，但仍有60%的工作頻段不能滿足圓極化輻射要求。為了進一步提高天線的圓極化輻射性能，可以在輻射貼片上加入微擾結(jié)構(gòu)來改善軸比帶寬[6-7]，這種方式可以使天線的軸比帶寬提升30%左右，但仍有20%～30%的工作頻段不能滿足圓極化輻射需要。通過在振子臂的附近添加寄生單元可以實現(xiàn)天線的寬帶化，這種方式不僅能在一定程度上拓寬天線的阻抗帶寬，對天線的軸比帶寬也有明顯改善[8-11]，使得在寬頻范圍內(nèi)天線均能實現(xiàn)良好的圓極化輻射特性。

為了覆蓋多模系統(tǒng)的寬頻范圍，實現(xiàn)天線在其工作范圍內(nèi)良好的圓極化輻射性能，本文擬選用添加寄生單元的方式來拓寬交叉偶極子天線的帶寬。將輻射貼片和寄生單元設(shè)計為扇形結(jié)構(gòu)，通過三維電磁場仿真軟件CST(CST studio suite)建模仿真，確定寄生單元的數(shù)量、位置及相關(guān)參數(shù)，并驗證天線的性能。

1 圓極化交叉偶極子天線

交叉偶極子天線就是將兩根性能和結(jié)構(gòu)均相同的偶極子天線正交放置。圓極化交叉偶極子天線是具有圓極化輻射特性的交叉偶極子天線。

1.1 圓極化交叉偶極子的基本結(jié)構(gòu)

圓極化交叉偶極子天線有移相網(wǎng)絡(luò)和自相移兩種結(jié)構(gòu)。

(1)移相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

移相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交叉偶極子圓極化天線通過外加饋電結(jié)構(gòu)的方式，實現(xiàn)天線的圓極化輻射[12]。在此結(jié)構(gòu)中，交叉偶極子天線通過兩個不同的端口分別輸出不同的線極化形式，將兩個端口用合路器進行合路，并對其中一路的電流進行90°移相，以產(chǎn)生圓極化波。這種結(jié)構(gòu)需要相移網(wǎng)絡(luò)和多饋點，較為復(fù)雜，難以在實際工程中廣泛應(yīng)用[13]。

(2)自相移結(jié)構(gòu)

自相移結(jié)構(gòu)的交叉偶極子圓極化天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。它在同一副交叉偶極子天線上實現(xiàn)兩種不同的諧振模式。適當(dāng)調(diào)節(jié)2個正交的偶極子臂的長短，使兩路電流相位差滿足90°要求，實現(xiàn)天線的圓極化輻射性能[13]。

圖1 自相移交叉偶極子天線結(jié)構(gòu)

1.2 添加寄生單元的圓極化交叉偶極子

自相移交叉偶極子天線的振子臂之間存在相互耦合，可在耦合區(qū)中添加寄生單元，通過耦合作用產(chǎn)生另一個圓極化波，改善天線的阻抗帶寬和軸比帶寬[9]。添加寄生單元后的圓極化交叉偶極子的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 添加寄生單元的交叉偶極子天線結(jié)構(gòu)

圖中A1、A2為一組偶極子臂，B1、B2為另一組偶極子臂，每組偶極子臂的長度相等。其中A1、A2正交放置并通過圓環(huán)連接，通過調(diào)節(jié)圓環(huán)的大小來實現(xiàn)電流的90°相位差，得到一個圓極化波；通過偶極子臂B1、B2得到另一個圓極化波。C為放置在交叉偶極子耦合區(qū)中的寄生單元，適當(dāng)調(diào)節(jié)其位置和大小，即可產(chǎn)生另一個與交叉偶極子頻率相近的圓極化波，從而拓展天線的阻抗帶寬和軸比帶寬[9]。

2 寬帶圓極化天線的設(shè)計

通過添加寄生單元的方式來擴寬交叉偶極子天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，其設(shè)計內(nèi)容主要包括天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計、寄生單元的數(shù)量、位置和相關(guān)參數(shù)確定等。

2.1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)圓極化交叉偶極子的工作原理，結(jié)合文獻[7]，設(shè)計的天線模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線由兩組正交的偶極子臂、一個寄生單元、介質(zhì)板、同軸線和一個金屬空腔組成。介質(zhì)板使用的材料為Teflon，相對介電常數(shù)為2.1，損耗角正切值為0.003 5，半徑為42 mm，厚度0.8 mm。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖

圖3(a)中，兩個相互正交、長為L1的偶極子臂通過圓環(huán)連接，圓環(huán)內(nèi)徑為r1，寬為wr。設(shè)計天線的尺寸L1=36 mm，r1=5 mm，wr=0.6 mm。通過調(diào)節(jié)圓環(huán)的大小來實現(xiàn)電流90°相位差，得到一個圓極化波；長為L2的寄生單元用來產(chǎn)生與交叉偶極子頻率相近的另一個圓極化波。

圖3(b)中的兩組正交臂分別印刷在介質(zhì)的正、反面；同軸線的外導(dǎo)體通過金屬空腔與介質(zhì)板背面的正交臂相連，內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)與介質(zhì)板正面的正交臂連接。金屬空腔的尺寸為160 mm×160 mm×50 mm，壁厚為1 mm，放置在距離天線Hc的位置，實現(xiàn)對天線后向輻射能量的反射，以提高天線增益。

2.2 寄生單元的確定

所設(shè)計天線是在交叉偶極子中引入寄生單元，產(chǎn)生一個與交叉偶極子相近頻率的圓極化波，從而起到擴寬阻抗帶寬和軸比帶寬的作用。寄生單元的個數(shù)和位置對天線的性能至為重要。

(1)寄生單元個數(shù)的確定

為了確定所需寄生單元個數(shù)，采用CST軟件分別對添加不同數(shù)量寄生單元的交叉偶極子圓極化天線進行了仿真，添加不同個數(shù)寄生單元天線的性能如圖4所示。

(a) 回波損耗

(b) 軸比

圖4(a)顯示，未引入寄生單元，天線的阻抗帶寬的范圍為1.10 GHz～1.87 GHz；引入1個寄生單元，天線的阻抗帶寬范圍為1.13 GHz～2.12 GHz；引入2個寄生單元，天線的阻抗帶寬范圍為1.13 GHz～2.05 GHz。圖4(a)顯示，未引入寄生單元，天線的軸比帶寬的范圍為1.15 GHz～1.37 GHz；引入1個寄生單元，天線的軸比帶寬范圍為1.15 GHz～1.96 GHz；引入2個寄生單元，天線的軸比帶寬范圍為1.20 GHz～2.00 GHz。引入寄生單元后，天線的阻抗帶寬和軸比帶寬得到了改善。

從天線性能的改善效果上看，添加1個寄生單元和添加2個寄生單元區(qū)別并不明顯，為了簡化天線結(jié)構(gòu)，本文選擇只添加1個寄生單元。

(2)寄生單元位置的確定

確定寄生單元的個數(shù)之后，還需要確定添加寄生單元的位置。為此，將寄生單元放置在耦合區(qū)的不同位置，應(yīng)用CST軟件分別對天線的軸比進行仿真，寄生單元的位置和與之對應(yīng)的天線軸比CST仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。圖5中位置#1和位置#3對稱，位置#2和位置#4對稱。

圖5 寄生單元的位置

圖6 不同位置寄生單元天線的軸比

從圖6中可以看出，寄生單元放置于位置#1或#3時，天線軸比帶寬的范圍為1.15 GHz～2.05 GHz；寄生單元在位置#2或#4時，天線軸比帶寬的范圍為1.15 GHz～1.55 GHz，僅有400 MHz。這是因為兩條振子臂之間的耦合不能滿足電流等幅、相位相差90°要求而造成的，因此，選擇在位置#1添加寄生單元。

2.3 寄生單元參數(shù)的優(yōu)化

在確定了寄生單元的個數(shù)和位置之后，需要確定寄生單元的參數(shù)。

(1)確定寄生單元長度L2

用CST軟件分別仿真了寄生單元長度L2分別為26 mm、29 mm和31 mm三種條件下天線的回波損耗和軸比，其結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)中可以看出，隨著L2的減小，對交叉偶極子的諧振點沒有影響，但寄生單元所產(chǎn)生的諧振點往高頻處移動，拓寬了天線的阻抗帶寬。圖7(b)中，隨著L2的減小，寄生單元產(chǎn)生的另一個軸比最小點所對應(yīng)的頻點向高頻處移動。當(dāng)L2=26 mm時，2個諧振點相隔較遠，雖然阻抗帶寬有了明顯的展寬，但軸比在1.40 GHz～1.50 GHz的頻帶范圍內(nèi)已經(jīng)大于3 dB，在這個頻段范圍內(nèi)，天線圓極化性能不佳。為了有效地拓寬阻抗帶寬和軸比帶寬，取L2=29 mm。

(a) 回波損耗

(b)軸比

(2)寄生單元與振子臂間距g的確定

用CST軟件分別仿真了g分別為0.8 mm、1.0 mm和1.2 mm三種條件下天線的回波損耗和軸比，其結(jié)果如圖8所示。

從圖8(a)可見，寄生單元與振子臂間距g取不同值，天線的回波損耗變化并不大。從圖8(b)可見，當(dāng)g=1.2 mm時，頻率范圍在1.40 GHz～1.60 GHz之間，天線的軸比不能滿足小于3 dB的要求，在此頻段范圍內(nèi)天線不能稱為圓極化天線；隨著g的減小，在1.40 GHz～1.60 GHz頻率范圍內(nèi)天線的軸比越來越小，軸比帶寬也在減小。當(dāng)g=1.2 mm時，天線的軸比帶寬范圍為1.2 GHz～1.78 GHz。當(dāng)g=1 mm時，在頻率1.20 GHz～1.92 GHz的范圍內(nèi)天線的軸比小于3 dB，滿足圓極化波輻射的要求。為此，本文選取振子臂間距g為1.0 mm。

(a) 回波損耗

(b) 軸比

3 仿真結(jié)果及分析

在使用CST軟件，對寄生單元相關(guān)參數(shù)進行分析和優(yōu)化之后，最終的天線仿真。

3.1 回波損耗和軸比

天線的阻抗帶寬和軸比帶寬分別如圖9和圖10所示。圖9顯示，所設(shè)計天線的阻抗帶寬范圍為1.12 GHz～2.11 GHz。圖10顯示，設(shè)計天線分別產(chǎn)生了一個1.20 GHz輻射的圓極化波和一個1.80 GHz輻射的圓極化波，最終設(shè)計天線的軸比帶寬范圍為1.16 GHz～2.00 GHz。

圖9 設(shè)計天線的阻抗帶寬

圖10 設(shè)計天線的軸比帶寬

3.2 方向圖及增益

所設(shè)計天線在1.20 GHz、1.80 GHz的輻射增益和方向圖隨頻率變化的曲線，如圖11所示。

(a) 天線的增益

(b) 1.20GHz方向圖

(c) 1.80GHz方向圖

從圖11(a)中可以看出，在1.16 GHz～2.00 GHz的頻帶范圍內(nèi)，天線增益均大于7.5 dBic，最大值為10.5 dBic。從圖11(b)和圖11(c)可以看出，天線在1.20 GHz和1.80 GHz兩個諧振頻點處方向圖良好。

本文方法和文獻[5]、文獻[7]、文獻[9]方法所設(shè)計天線指標(biāo)的仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 不同方法天線的仿真結(jié)果對比

從表1中可以看出，和文獻[5]相比，所設(shè)計天線的軸比帶寬擴寬了16.9%，增益增加了7.5 dB。這是由于文獻[5]中的天線沒有反射腔結(jié)構(gòu)，天線的后向輻射未被反射導(dǎo)致的。

文獻[7]在高頻處的圓極化波是通過在主輻射貼片上切角、開槽來實現(xiàn)的，由于主輻射貼片結(jié)構(gòu)的限制，天線的軸比帶寬只能拓寬27%。而本文所設(shè)計天線未改變主輻射貼片的結(jié)構(gòu)，是通過添加寄生單元的方式，利用耦合作用拓寬軸比帶寬，使所設(shè)計天線的軸比帶寬比文獻[7]增加了19.7%。

和文獻[9]添加的4個寄生單元相比，所設(shè)計天線只用了1個寄生單元，簡化了天線結(jié)構(gòu)。雖然兩者都是采用了添加寄生單元的方式來拓寬軸比帶寬，但文獻[9]的主輻射貼片采用傳統(tǒng)形式的交叉偶極子天線，而所設(shè)計天線是將輻射貼片改為扇形結(jié)構(gòu)之后才添加的寄生單元，因此，所設(shè)計天線比文獻[9]的阻抗帶寬和軸比帶寬分別增加了16%和19%。

4 結(jié)語

基于自相移形式的圓極化交叉偶極子天線，通過在正交臂之間引入寄生單元的方法，設(shè)計了一種寬帶圓極化天線。天線總體尺寸為160 mm×160 mm×50 mm。仿真結(jié)果驗證，該天線的阻抗帶寬范圍為1.12 GHz～2.11 GHz，軸比帶寬范圍為1.16 GHz～2.00 GHz，天線在工作頻段內(nèi)圓極化輻射性能良好，具有較高的增益。