雙頻雙圓極化槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)

浦同爭(zhēng)， 宗 容， 陳 哲， 鄧 郁， 劉軍奇

(1.國(guó)家移民管理局常備力量第二總隊(duì),昆明 650214；2.云南大學(xué) 信息學(xué)院,昆明 650091)

相較于線(xiàn)極化天線(xiàn)，圓極化天線(xiàn)在空間位置取向上自由度更大，且能探測(cè)到更多極化類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電波，因此在衛(wèi)星導(dǎo)航、射頻識(shí)別、雷達(dá)、遙感遙測(cè)、電子偵查和對(duì)抗等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]?？蓪?shí)現(xiàn)圓極化的基本輻射單元結(jié)構(gòu)有圓[3]、圓環(huán)[4]、螺旋[5]、多邊形[6]、圓柱[7]等，可選的饋電機(jī)制則有單饋和多饋2種。單饋法必須引入結(jié)構(gòu)微擾，依靠分離簡(jiǎn)并模式達(dá)成圓極化目標(biāo)；多饋法則利用正交信號(hào)來(lái)激勵(lì)起圓極化波[8]。

隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，小型化和寬帶化成為當(dāng)前圓極化天線(xiàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。通過(guò)將不同工作頻段的圓極化輻射單元制作在同一PCB板上，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的低剖面多頻帶圓極化天線(xiàn)，這已經(jīng)引起了研究人員的關(guān)注[9-11]。

考慮到槽天線(xiàn)在工作帶寬、阻抗損耗、結(jié)構(gòu)魯棒性等方面的性能通常都優(yōu)于貼片天線(xiàn)，采用槽線(xiàn)設(shè)計(jì)了一種雙頻圓極化天線(xiàn)。該天線(xiàn)由一個(gè)十字形槽嵌套一個(gè)圓環(huán)形槽而成。其中，圓環(huán)形槽上加載了一對(duì)簡(jiǎn)并分離單元，以實(shí)現(xiàn)圓極化；而構(gòu)成十字形槽的2條槽線(xiàn)長(zhǎng)度不一致，以便得到圓極化波。該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，容易加工制作，且設(shè)計(jì)參數(shù)豐富，可方便地在任意無(wú)線(xiàn)電頻段實(shí)現(xiàn)圓極化設(shè)計(jì)。

1 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

1.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，十字形槽蝕刻在PCB板正面，它的2條矩形槽線(xiàn)分別長(zhǎng)la和lb，槽寬為s1；圓環(huán)形槽包圍著十字形槽，它的半徑為r，槽寬為s2；圓環(huán)形槽上加載了一對(duì)凹槽，寬度為ws，深度為ds，它們對(duì)稱(chēng)分布在與饋電位置成45°夾角的直線(xiàn)上；饋電電路制作在PCB板的背面，它由50 Ω微帶線(xiàn)和四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器組成，其中50 Ω微帶線(xiàn)的寬度為wm，阻抗變換器的寬度和長(zhǎng)度分別為wc和lc；PCB板的厚度為h，材料的相對(duì)介電常數(shù)為εr。

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

天線(xiàn)在低頻段的工作頻率fL由圓環(huán)形槽決定，其波長(zhǎng)近似等于圓環(huán)形槽的周長(zhǎng)，即λL=2πr′。λL表示低頻段的工作波長(zhǎng)；r′表示環(huán)形槽的等效半徑，它與r、ws和ds有關(guān)，這為優(yōu)化天線(xiàn)性能提供了相當(dāng)多的調(diào)節(jié)自由度。假設(shè)低頻為fL=2.4 GHz，且采用厚度為h=2 mm的F4BK300板，其相對(duì)介電常數(shù)是εr=3，槽線(xiàn)寬度取sa=sb=1 mm，則λL可使用如式(1)計(jì)算[19]

(1)

其中λ0為自由空間波長(zhǎng)。

實(shí)際上，圓環(huán)形槽是典型的諧振結(jié)構(gòu)，不能直接用來(lái)生成圓極化波。為解決這個(gè)問(wèn)題，在圓環(huán)上進(jìn)一步蝕刻出一對(duì)凹槽。通過(guò)引入這樣的結(jié)構(gòu)微擾，使圓環(huán)的簡(jiǎn)并模式得以分離，并在模式間形成90°的相位差，從而能夠輻射圓極化波束。

天線(xiàn)在高頻段的工作頻率fH由十字形槽決定。對(duì)于矩形槽線(xiàn)而言，當(dāng)槽線(xiàn)的長(zhǎng)度取半波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)，可獲得基模的工作狀態(tài)。由于la≠lb，所以各自的基模頻率也不相等，即fa≠fb。當(dāng)Δl=|la-lb|很小時(shí)，Δf=|fa-fb|也很小。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終可得到中心頻率為fH≈|fa-fb|/2的圓極化工作帶寬。因此，在槽寬s1確定的情況下，十字形槽的工作頻率fH取決于la和lb。

1.2 阻抗匹配

由于天線(xiàn)要在2個(gè)不同的頻段同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓極化，因此阻抗匹配網(wǎng)路的設(shè)計(jì)非常重要。借助商用電磁仿真軟件HFSS，可對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算和分析，通過(guò)不斷的優(yōu)化，得到能滿(mǎn)足應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。

當(dāng)圓環(huán)形槽和十字形槽的結(jié)構(gòu)確定時(shí)，影響阻抗匹配的主要參數(shù)為lc、wc和lt，下面分別研究它們的影響。天線(xiàn)的固定參數(shù)設(shè)置如下：εr=3，h=2 mm，sa=sb=1.3 mm，ws=ds=4.5 mm，r=16 mm，la=16 mm，lb=14.5 mm，wm=5 mm。

圖2描述的是當(dāng)lc=20 mm，lt=0 mm時(shí)，天線(xiàn)的輸入阻抗隨wc變化的情況。由圖2可知，當(dāng)wc依次取0.7 mm、1.2 mm、2 mm時(shí)，天線(xiàn)在fH附近的輸入阻抗無(wú)顯著變化，但在fL附近的輸入阻抗從約55 Ω減小到40 Ω。根據(jù)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)wc取0.97 mm時(shí)，天線(xiàn)的阻抗匹配效果最佳。

圖3描述的是當(dāng)wc=0.97 mm，lt=0 mm時(shí)，天線(xiàn)的輸入阻抗與lc(lc分別取18 mm、19 mm和20 mm)之間的關(guān)系。顯然，lc對(duì)fL和fH的輸入阻抗都有明顯的影響，而且難以得到能夠兼顧這2個(gè)頻段的lc值。因此，先考慮匹配fL，而fH則通過(guò)另一參數(shù)lt進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)lc取20 mm時(shí)，天線(xiàn)在低頻fL附近的輸入阻抗接近50 Ω。

由圖4可知，當(dāng)wc=0.97 mm，lc=20 mm時(shí)，天線(xiàn)的阻抗匹配狀態(tài)與高頻調(diào)節(jié)參數(shù)lt之間的關(guān)系?？梢钥吹?，lt的變化對(duì)fL頻段的輸入阻抗影響不明顯，但對(duì)于fH頻段的輸入阻抗有明顯的調(diào)節(jié)作用。具體而言，當(dāng)lt分別取-2、0、2 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)在fH頻段中心頻點(diǎn)6.19 GHz處的歸一化輸入阻抗分別為0.954 3-0.091 7j，0.714 9+0.199 3j，和0.456 7+0.142 8j?？梢?jiàn)，lt為-2 mm時(shí)，天線(xiàn)的匹配性能最佳。

圖2 天線(xiàn)在低頻段fL和高頻段fH的輸入阻抗隨wc變化的情況

圖3 天線(xiàn)在低頻段fL和高頻段fH的輸入阻抗隨lc變化的情況

圖4 天線(xiàn)在低頻段fL和高頻段fH的輸入阻抗隨lt變化的情況

綜上，為了兼顧天線(xiàn)在fL頻段和fH頻段上的工作性能，可選擇lc=20 mm，wc=0.97 mm和lt=-2 mm。

2 天線(xiàn)的性能

前文討論了實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)阻抗匹配的思路和步驟。實(shí)際上，其他參數(shù)也會(huì)在一定程度上影響天線(xiàn)的性能。例如，ws和ds的波動(dòng)會(huì)影響低頻fL段的軸比性能，并導(dǎo)致fL段中心頻點(diǎn)的飄移；調(diào)整Δl=la-lb可以有效地優(yōu)化天線(xiàn)在fH段的圓極化性能，并可重構(gòu)圓極化的類(lèi)型。這些都可以根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，不再一一贅述。

如前所述，天線(xiàn)可同時(shí)在fL=2.4 GHz頻段和fH=6.19 GHz頻段實(shí)現(xiàn)圓極化。

圖5為天線(xiàn)的回波損耗(S11)和電壓駐波比(voltage standing-wave ratio,簡(jiǎn)稱(chēng)VSWR)曲線(xiàn)。由圖5可知，天線(xiàn)在2.4 GHz頻段和6.19 GHz頻段的阻抗帶寬(S11<-10 dB)分別為15.38%(368.4 MHz)和6.92%(421 MHz)。

圖5 天線(xiàn)的回波損耗和電壓駐波比

圖6 天線(xiàn)的軸比性能

圖7 天線(xiàn)在不同平面上的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

圖8 天線(xiàn)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

圖6為該天線(xiàn)在主要輻射方向上的軸比性能，由圖6可看出，天線(xiàn)在2.4 GHz頻段和6.19 GHz頻段的圓極化帶寬(軸比<3 dB)分別為10.9%(263.2 MHz)和9.35%(579 MHz)。圖7為天線(xiàn)在不同的φ平面上的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。由圖7可見(jiàn)，天線(xiàn)的主要輻射方向是z軸，即垂直于天線(xiàn)表面的方向。而且，在垂直方向上這一天線(xiàn)是雙向輻射的，其在天線(xiàn)表面兩側(cè)的輻射大致相當(dāng)，根據(jù)計(jì)算，天線(xiàn)的前后比約為1.103 8。在水平方向上，天線(xiàn)的輻射關(guān)于環(huán)形槽上的分離單元的連線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，體現(xiàn)出類(lèi)似于偶極子的特征，這一點(diǎn)可進(jìn)一步從如圖8所示的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖中觀察得到。

根據(jù)計(jì)算，優(yōu)化后的天線(xiàn)在2.4 GHz頻段的最大增益為3.44 dBi，輻射效率為96.13%；在6.19 GHz頻段的最高增益為6.36 dBi，輻射效率95.6%，可滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一款雙頻帶雙圓極化天線(xiàn)，分別利用圓環(huán)形槽線(xiàn)和十字形槽線(xiàn)調(diào)控天線(xiàn)在2.4 GHz頻段與6.19 GHz頻段的性能。該天線(xiàn)在可重構(gòu)性、阻抗匹配、帶寬、駐波比、軸比、方向圖等方面的性能優(yōu)越，有望在射頻識(shí)別、衛(wèi)星定位系統(tǒng)和天線(xiàn)小型化等方面得到實(shí)際應(yīng)用。為滿(mǎn)足未來(lái)5G及5G+業(yè)務(wù)對(duì)超寬帶和超小型化的需求，可考慮與超表面、石墨烯等新興材料結(jié)合，進(jìn)一步提升天線(xiàn)性能。