寬帶高增益環(huán)形圓極化微帶天線

陳青青，李建瀛，丁宇昕，張凌凱，馮 耀，謝 靜

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院， 陜西西安710129)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，圓極化微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面低和靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星等通信領(lǐng)域。圓極化天線是通過(guò)使用饋電結(jié)構(gòu)激發(fā)具有90°相位差的兩個(gè)正交線性極化模式產(chǎn)生圓極化[1-4]。通過(guò)開(kāi)縫或者切角產(chǎn)生微擾的單饋圓極化天線[5-7]的工作帶寬通常比較窄，軸比帶寬在1% ～ 2%之間。一些改進(jìn)單饋圓極化微帶天線軸比帶寬的方法被提出，例如添加寄生貼片[8-9]和開(kāi)U形槽[10],其軸比帶寬可以在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上被展寬到3% ～ 4%。另外，使用功分網(wǎng)絡(luò)[11-12]或者多層基板[13-14]可以展寬圓極化天線的軸比帶寬，但相對(duì)于單點(diǎn)饋電圓極化天線，其結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜。

基于環(huán)形切縫微帶天線[15-16], 筆者設(shè)計(jì)了兩款展寬軸比帶寬的圓極化微帶天線，分別是圓形環(huán)圓極化微帶天線和方形環(huán)圓極化微帶天線。天線的軸比帶寬被有效展寬。圓形環(huán)和方形環(huán)圓極化天線分別在3.83 ～ 4.07 GHz (軸比帶寬約為6.2%)和3.76 ～ 4.00 GHz (軸比帶寬約為6.1%)的頻段范圍內(nèi)，軸比(Axial Ratio，AR)小于3 dB，且電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，具有良好的圓極化特性。在工作頻帶內(nèi)，兩款圓極化微帶天線的峰值增益均高于10.0 dB。

1 寬帶圓形環(huán)圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

寬帶圓形環(huán)圓極化微帶天線(天線1)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線的中心頻率為3.87 GHz。天線由環(huán)形輻射貼片和地板組成，在輻射貼片與地板之間是厚度為7 mm (H1)的空氣層。在輻射貼片上偏離-y軸P1位置開(kāi)有一個(gè)寬1 mm (W1)的橫向槽，擾動(dòng)表面電流分布，激勵(lì)兩個(gè)相位相差90°、幅度相等的模式，輻射圓極化波。同時(shí)，輻射貼片內(nèi)側(cè)開(kāi)有一個(gè)正方形方向孔(13 mm×13 mm)，以改善阻抗匹配特性。該天線由同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體對(duì)輻射貼片饋電，外導(dǎo)體與地板連接。饋電點(diǎn)位置在-y軸上，距離原點(diǎn)15 mm (R3)。金屬地板的半徑R2=55 mm。根據(jù)仿真模型，制作天線實(shí)物如圖2所示。

圖1 寬帶圓形環(huán)圓極化微帶天線(天線1)結(jié)構(gòu)圖

圖2 實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

該天線的工作頻率F0由環(huán)形貼片的平均周長(zhǎng)決定，其計(jì)算式為

F0=c/(πR1+2L1) ，

(1)

其中，c是真空中的光速，R1是輻射貼片外半徑，L1是輻射貼片上方形孔的邊長(zhǎng)。圖3是圓環(huán)形輻射貼片上在中心頻率為3.87 GHz的表面電流分布圖。可以看出，該天線表面電流沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)(沿+z軸方向觀測(cè))，輻射右旋圓極化波。

圖3 寬帶圓形環(huán)圓極化微帶天線(天線1)表面電流分布

1.2 參數(shù)分析

通過(guò)分析，知該天線的內(nèi)外環(huán)尺寸決定其工作頻率F0，但空氣層厚度(H1)、縫隙偏移距離(P1)、縫隙寬度(W1)及饋電點(diǎn)位置(R3)對(duì)天線性能的影響尚不明確，因此對(duì)天線進(jìn)行參數(shù)分析。利用HFSS 19.0 對(duì)天線進(jìn)行仿真研究，當(dāng)對(duì)某一特定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其他參數(shù)保持不變。

空氣層厚度(H1)對(duì)天線性能有明顯影響，如圖4所示。可以看出，當(dāng)空氣層厚度增加時(shí)，天線工作頻率向低頻偏移，電壓駐波比損壞，駐波小于2的駐波比帶寬減?。划?dāng)空氣層厚度H1=7.0 mm時(shí)，軸比小于3 dB的帶寬最寬，軸比特性達(dá)到最優(yōu)。

圖5給出一組縫隙偏移距離P1不同取值時(shí)，圓環(huán)形圓極化天線的電壓駐波比(VSWR)和軸比(AR)變化曲線。可以看出，隨著偏移距離的增大，天線工作頻率向更高頻率偏移。當(dāng)偏移距離較小時(shí)，中心頻率的電壓駐波比特性損壞；當(dāng)偏移距離較大時(shí)，軸比帶寬 (軸比小于3dB) 變窄。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)P1=2.5 mm時(shí)，天線具有最佳的軸比帶寬，且駐波比小于2。

圖4 H1對(duì)天線性能的影響

圖5 P1對(duì)天線性能的影響

該環(huán)形輻射貼片輻射圓極化的機(jī)理是橫向槽擾動(dòng)表面電流，產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等、相位相差90°的模式，所以選擇不同大小的縫隙對(duì)圓極化性能影響很大。圖6中列出了不同縫隙寬度 (W1)對(duì)天線性能的影響。可以看出，當(dāng)縫隙寬度較窄時(shí)，電壓駐波比帶寬 (駐波小于2) 較窄；當(dāng)縫隙寬度較寬時(shí)，中心頻率的電壓駐波比超過(guò)2。當(dāng)縫隙寬度W1=1.0 mm時(shí)，軸比小于3dB的帶寬取得最優(yōu)結(jié)果。

最后一個(gè)被研究分析的參數(shù)是饋電點(diǎn)位置R3，圖7給出一組不同位置饋電時(shí)天線性能的變化。從圖中可以得到，饋電點(diǎn)主要影響天線的電壓駐波比。當(dāng)饋電點(diǎn)位置靠近原點(diǎn)時(shí)，中心頻率電壓駐波比惡化；當(dāng)饋電點(diǎn)位置距原點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，電壓駐波比小于2帶寬較窄。由計(jì)算可得，當(dāng)R3=15.0 mm時(shí)，天線電壓駐波比達(dá)到最佳性能。

圖6 W1對(duì)天線性能的影響

圖7 R3對(duì)天線性能的影響

1.3 天線的仿真和測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上的分析，利用HFSS 19.0對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真計(jì)算，天線的工作頻率為3.76 ～ 4.00 GHz，天線的各個(gè)參數(shù)最終選?。篟1=25.0 mm，R2=55.0 mm，R3=15.0 mm，L1=13.0 mm，W1=1.0 mm，P1=2.5 mm，H1=7.0 mm。在整個(gè)工作頻帶內(nèi)駐波小于2，且軸比小于3 dB，具有較好的圓極化特性。

對(duì)加工的天線進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試得到的天線電壓駐波比(VSWR)，軸比(AR)和增益如圖8所示。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實(shí)測(cè)的電壓駐波比帶寬 (駐波小于2) 約為21.3% (3.52～ 4.36 GHz)，軸比帶寬 (軸比小于3 dB) 約為6.2% (3.74 ～ 3.98 GHz)，可以較好地輻射圓極化波。天線增益在工作帶寬內(nèi)高于9.5 dB，峰值增益大于10.0 dB。圖9給出了分別在3.74 GHz、3.86 GHz和3.98 GHz等頻點(diǎn)下測(cè)試的天線xOz面和yOz面歸一化方向圖。從結(jié)果可以看出，在工作帶寬內(nèi)，設(shè)計(jì)的天線實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的右旋圓極化單向輻射，與圖3相符。結(jié)果表明，此天線在較寬的頻帶內(nèi)具有優(yōu)良的駐波比特性和圓極化特性。

圖8 天線1仿真和實(shí)測(cè)的駐波、軸比和增益

圖9 天線1實(shí)測(cè)xOz面和yOz面方向圖

2 寬帶方形環(huán)圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)

寬帶方形環(huán)圓極化微帶天線(天線2)的結(jié)構(gòu)如圖10所示。天線的中心頻率為3.95 GHz。與第1部分的圓環(huán)形圓極化天線結(jié)構(gòu)相似，天線由環(huán)形輻射貼片和地板組成，在輻射貼片與地板之間是厚度為7 mm (H1)的空氣層。不同之處在于，環(huán)形輻射貼片外圈是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)′1的正方形，內(nèi)圈是半徑R′1的圓形。該天線由同軸饋電。根據(jù)優(yōu)化得到的模型參數(shù)，加工的實(shí)物天線如圖11所示。

圖10 寬帶方形環(huán)圓極化微帶天線(天線2)結(jié)構(gòu)圖

圖11 實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

該天線的工作頻率F′0由環(huán)形貼片的平均周長(zhǎng)決定，其計(jì)算式為

F′0=c/(πL′1+2R′1) ,

(2)

其中，c是真空中的光速，L′1是方形輻射貼片的邊長(zhǎng)，R′1是輻射貼片上圓形孔的半徑。圖12是輻射貼片上在中心頻率3.95 GHz的表面電流分布圖。可以看出，該天線表面電流沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)(沿+z軸方向觀測(cè))，輻射右旋圓極化波。分析可得，該天線的內(nèi)外環(huán)尺寸決定其工作頻率F′0，且空氣層厚度(H′1)、縫隙偏移距離(P′1)、縫隙寬度(W′1)及饋電點(diǎn)位置(R′3)對(duì)天線性能的影響與圓環(huán)形圓極化微帶天線一致。

圖12 寬帶圓形環(huán)圓極化微帶天線(天線2)表面電流分布

2.2 天線仿真和測(cè)試結(jié)果

天線的工作頻率為3.83 ～ 4.07 GHz，天線的各個(gè)參數(shù)最終選?。篟′1=7.0 mm，R′2=55.0 mm，R′3=14.0 mm，L′1=34.0 mm，W′1=1.0 mm，P′1=4.5 mm，H′1=7.0 mm。仿真得到，在工作帶寬內(nèi)，駐波小于2，軸比小于3 dB，具有較好的圓極化特性。

圖13 天線2仿真和實(shí)測(cè)的駐波、軸比和增益

圖14 天線2實(shí)測(cè)xOz面和yOz面方向圖

仿真和測(cè)試得到的電壓駐波比(VSWR)、軸比(AR)和增益如圖13所示。可以看出測(cè)試與仿真結(jié)果相吻合。該天線的電壓駐波比帶寬 (駐波小于2) 為20.1%(3.50 ～ 4.30 GHz)，軸比帶寬 (軸比小于3 dB) 為6.1% (3.80 ～ 4.04 GHz)，圓極化性能較好。在3.94 GHz，天線增益最大，峰值增益約為10.1 dB。天線的輻射方向圖如圖14所示，圖(a)，(b)，(c)分別是測(cè)試的天線在3.80 GHz，3.92 GHz，4.04 GHz的xOz面和yOz面方向圖，由圖可以看出，該天線穩(wěn)定的單向輻射右旋圓極化波。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中基于環(huán)形切縫微帶天線[15-16]設(shè)計(jì)了兩款展寬軸比帶寬的圓極化微帶天線，分別是圓形環(huán)圓極化微帶天線(天線1)和方形環(huán)圓極化微帶天線(天線2)。天線的軸比帶寬被有效展寬。圓形環(huán)和方形環(huán)圓極化天線分別在3.74 ～ 3.98 GHz (軸比帶寬約為6.2%)和3.80 ～ 4.04 GHz (軸比帶寬約為6.1%)的頻段范圍內(nèi)，軸比小于 3 dB，獲得了良好的圓極化特性。在工作頻帶內(nèi)，兩款圓極化微帶天線的峰值增益高于10.0 dB，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單向輻射。該天線是無(wú)線通信系統(tǒng)的良好候選。筆者也對(duì)圓形貼片內(nèi)刻圓縫結(jié)構(gòu)和方形貼片內(nèi)刻方形縫結(jié)構(gòu)的兩種天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到幾乎同樣的結(jié)果。