一種寬帶雙極化共享折合臂天線(xiàn)設(shè)計(jì)

任曉飛 王瓊 賀雙

（中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107）

引言

由于無(wú)線(xiàn)信號(hào)空間傳輸?shù)膹?fù)雜性，為了抗多徑衰落效應(yīng)，雙極化天線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信中.在信號(hào)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)天線(xiàn)要具備水平和垂直雙極化同時(shí)接收能力，并且需要寬帶、高隔離度等特性.雙極化天線(xiàn)形式多種多樣，包括貼片天線(xiàn)、磁電偶極子、縫隙天線(xiàn)和正交偶極子天線(xiàn)等.其中正交偶極子天線(xiàn)隔離度高、方向圖穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用和研究.Zengdi Bao 等人利用強(qiáng)耦合技術(shù)設(shè)計(jì)了同軸線(xiàn)直接饋電的新型雙極化天線(xiàn)[1].在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們對(duì)這種寬帶正交偶極子天線(xiàn)進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)，設(shè)計(jì)研究了圓弧形、蝶形以及四葉草形雙極化正交偶極子天線(xiàn)[2-5]，此類(lèi)交叉偶極子天線(xiàn)具有一定的寬帶特性，但是相對(duì)帶寬基本維持在50%左右，僅僅能夠支持通信頻段應(yīng)用.

為了進(jìn)一步提升天線(xiàn)工作帶寬，部分學(xué)者采用在振子臂結(jié)構(gòu)上進(jìn)行L 形加載或環(huán)形嵌套加載[6-8]和在振子外進(jìn)行高頻或低頻的寄生加載[9-11]等方法展寬天線(xiàn)帶寬.這種類(lèi)型的加載是通過(guò)引入的枝節(jié)產(chǎn)生新的諧振頻帶，通過(guò)控制加載枝節(jié)的尺寸靈活調(diào)整諧振頻段，通過(guò)諧振疊加產(chǎn)生寬帶模式的輻射.另外，通過(guò)饋電結(jié)構(gòu)的改善也能在一定程度上展寬帶寬，如通過(guò)將饋電結(jié)構(gòu)變形為Γ 形或者Y 形[12-14]，調(diào)節(jié)阻抗匹配，以展寬帶寬，但其還不足以覆蓋到L 和S 波段寬波段，難以滿(mǎn)足實(shí)際的更大帶寬需求.同時(shí)，這種類(lèi)型的帶寬展寬方法往往只能改善駐波帶寬，到高頻時(shí)輻射方向圖會(huì)產(chǎn)生分裂，也很難用在信號(hào)寬帶監(jiān)測(cè)領(lǐng)域.

本文針對(duì)實(shí)際通信信號(hào)寬帶監(jiān)測(cè)需求，在雙極化共享臂(dual-polarized shared-dipole，DPSD)天線(xiàn)[15]內(nèi)部空間增加共享折合支節(jié)結(jié)構(gòu)，形成雙極化共享折合臂(dual-polarized shared-folded-dipole，DPSFD)天線(xiàn)，在整個(gè)天線(xiàn)外形尺寸不增加情況下，有效擴(kuò)展了天線(xiàn)工作帶寬.理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：天線(xiàn)可工作在1.6～4 GHz，雙極化隔離度優(yōu)于22 dB，增益可達(dá)8.3 dBi.天線(xiàn)尺寸僅為最低工作頻率波長(zhǎng)的28%，遠(yuǎn)小于半波十字交叉振子天線(xiàn).該雙極化天線(xiàn)具有小尺寸、超寬帶、高隔離度特點(diǎn)，可用于移動(dòng)通信信號(hào)寬帶無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中.

1 天線(xiàn)原理及展寬帶寬機(jī)理

DPSD 天線(xiàn)通過(guò)振子臂的復(fù)用使另外一個(gè)極化的振子臂長(zhǎng)度達(dá)到二分之一波長(zhǎng)[15].圖1 是DPSD天線(xiàn)的等效電路圖，為了清楚描述天線(xiàn)工作原理，將整個(gè)天線(xiàn)拆分成4 個(gè)振子臂進(jìn)行分析.

圖1 DPSD 天線(xiàn)等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit for the DPSD antenna

假設(shè)端口1 和端口3 受到電壓為Vp1和Vp3的射頻信號(hào)激勵(lì)，其中：

在振子臂1、振子臂4、振子臂2 和振子臂3 的末端，電壓值分別為其中：α和 β 是幅度系數(shù)；θ 和 γ是相應(yīng)的延遲相位.因此，端口2 和端口4 處的電壓值為：

對(duì)于對(duì)稱(chēng)的DPSD 天線(xiàn)，4 個(gè)臂的長(zhǎng)度相同，并且端口1 和端口3 以等幅同相信號(hào)激勵(lì).因此有：

這意味著，當(dāng)端口1 和端口3 以等幅同相的信號(hào)激勵(lì)時(shí)，其他兩個(gè)端口(端口2 和端口4)處的電壓為零.對(duì)于天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，從端口1 發(fā)送到端口3 的信號(hào)在端口2 和端口4 處相互抵消.因此，共享臂天線(xiàn)不僅具有高隔離度的特性，還達(dá)到振子臂的共享復(fù)用.

普通結(jié)構(gòu)的DPSD 天線(xiàn)工作帶寬有限，為了滿(mǎn)足實(shí)際寬帶監(jiān)測(cè)需求，通過(guò)對(duì)稱(chēng)加載共享折合枝節(jié)，等效增加天線(xiàn)寬度，降低天線(xiàn)的Q 值，從而實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)帶寬的展寬.另外通過(guò)采用漸變型振子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善天線(xiàn)阻抗平穩(wěn)特性，形成DPSFD 天線(xiàn)，天線(xiàn)模型如圖2 所示.

圖2 寬帶DPSFD 天線(xiàn)模型Fig.2 The model of the wideband DPSFD antenna

在寬帶監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，除了考慮天線(xiàn)阻抗特性，還需要考慮天線(xiàn)方向圖特性.為了實(shí)現(xiàn)定向方向特性，在天線(xiàn)背面增加反射板，來(lái)實(shí)現(xiàn)定向波束.在寬帶工作中，反射板到天線(xiàn)之間距離不宜過(guò)大，否則在高頻段天線(xiàn)波束會(huì)分裂，不能滿(mǎn)足實(shí)際需求；距離過(guò)近，低頻段阻抗特性難以滿(mǎn)足要求.在滿(mǎn)足高頻波束的前提下，低頻阻抗特性通過(guò)加載耦合線(xiàn)枝節(jié)來(lái)調(diào)整優(yōu)化低頻駐波特性.

2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)與性能分析

根據(jù)實(shí)際寬帶監(jiān)測(cè)的指標(biāo)要求，提出了寬帶DPSFD 天線(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化共享折合臂長(zhǎng)度和天線(xiàn)距反射板距離，來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)寬帶工作能力.提出的DPSFD天線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)配置圖如圖3 所示.其中a1、a2為振子臂長(zhǎng)度，w1為雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)寬度，d為雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)間距，L1和w2為加載的耦合線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度.天線(xiàn)采用介質(zhì)基板為0.8 mm 厚的Rogers 4003，其介電常數(shù)為3.55.天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板兩面蝕刻中心對(duì)稱(chēng)的折合振子臂，通過(guò)金屬過(guò)孔使介質(zhì)板兩面振子電連接形成振子臂的復(fù)用.

表1 DPFSD 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the wideband DPFSD antenna structure mm

圖3 DPSFD 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration of wideband DPSFD antenna

折合振子相對(duì)于普通振子，具有更好的阻抗帶寬[16].將共享臂天線(xiàn)中的振子利用折合振子來(lái)設(shè)計(jì)，形成新型的DPSFD 天線(xiàn)，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)演化過(guò)程如圖4所示.調(diào)整折合臂的長(zhǎng)度，可以得到需要帶寬的特性.天線(xiàn)其他參數(shù)如表1 所示，圖5 給出了僅有共享折合臂長(zhǎng)度a2變化下，天線(xiàn)電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)結(jié)果.可以看出：隨著a2的縮減，諧振點(diǎn)也隨之向高頻方向偏移；采用共享折合臂，天線(xiàn)帶寬得到明顯的展寬.圖6 給出了a2變化下，天線(xiàn)的增益特性曲線(xiàn).從仿真結(jié)果可以看到，a2變化下增益變化比較小，且相對(duì)于無(wú)折合臂情況，增益隨頻率變化更加平穩(wěn).

圖4 增加共享折合臂的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Antenna construction of increasing folded shared-dipole

圖5 折合臂長(zhǎng)度a2 對(duì)VSWR 的影響Fig.5 The influence of length a2 of folded shared-dipole on VSWR

圖6 折合臂長(zhǎng)度a2 對(duì)增益的影響Fig.6 The influence of length a2 of folded shared-dipole on gain

振子天線(xiàn)通過(guò)添加金屬反射板實(shí)現(xiàn)單向波束輻射，反射板的高度一般為四分之一波長(zhǎng).圖7 給出了DPSFD 天線(xiàn)其他參數(shù)不變情況下，僅有距反射板高度H變化后的仿真結(jié)果.從優(yōu)化過(guò)程可以看到，高度大于33 mm 后，高頻增益急速下降，這主要是由于高頻距離反射板高度過(guò)大，天線(xiàn)方向圖裂瓣造成的.高度過(guò)低時(shí)，雖然增益曲線(xiàn)較為平穩(wěn)，但是天線(xiàn)駐波抬高，整體往高頻移動(dòng).兼顧增益和駐波，最終選擇天線(xiàn)距離反射板高度為33 mm.

圖7 反射板高度H 對(duì)VSWR 與增益的影響Fig.7 The influence of reflector height H on VSWR and gain

為了解決反射板距振子的小間距引起的低頻駐波惡化問(wèn)題，在傳輸線(xiàn)附近增加耦合線(xiàn)，來(lái)改善低頻段的匹配.增加耦合線(xiàn)，等效于在傳輸線(xiàn)上跨接一個(gè)阻抗調(diào)節(jié)枝節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)耦合枝節(jié)位置來(lái)進(jìn)行阻抗變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)天線(xiàn)駐波的目的.如圖8 所示，w2為耦合線(xiàn)的寬度，Ld1為耦合線(xiàn)距傳輸線(xiàn)的距離.

圖8 增加枝節(jié)耦合線(xiàn)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.8 Antenna construction of increasing parasitic coupler elements

圖9 給出了耦合線(xiàn)寬度w2變化對(duì)駐波特性的影響，圖10 給出了耦合線(xiàn)距傳輸線(xiàn)距離Ld1變化對(duì)駐波特性的影響.可以看出：通過(guò)增加耦合線(xiàn)，可以有效改善天線(xiàn)低頻駐波特性；w2變化對(duì)帶內(nèi)駐波影響較??；Ld1變大，頻段內(nèi)駐波曲線(xiàn)向高頻擴(kuò)展，改善了高頻駐波.通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，最后確定Ld1為3 mm、w2為1 mm 時(shí)能達(dá)到較好的阻抗匹配結(jié)果.

圖9 耦合線(xiàn)寬度w2 對(duì)VSWR 的影響Fig.9 The influence of coupler width w2 on VSWR

圖10 耦合線(xiàn)距傳輸線(xiàn)距離Ld1 對(duì)VSWR 的影響Fig.10 The influence of distance between coupler and transmission line Ld1 on VSWR

通過(guò)參數(shù)優(yōu)化的仿真結(jié)果分析可以看出，提出的DPSFD 天線(xiàn)能夠有效地展寬帶寬，工作帶寬可達(dá)1.6～4 GHz.說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的新型天線(xiàn)具有明顯的帶寬優(yōu)勢(shì).

3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)HFSS 軟件對(duì)天線(xiàn)參數(shù)的仿真優(yōu)化，對(duì)該天線(xiàn)進(jìn)行實(shí)物加工與測(cè)試，得到天線(xiàn)實(shí)物如圖11 所示.該天線(xiàn)印刷在厚度為0.8 mm 的 Rogers 4003 介質(zhì)板兩面，反射板采用1.5 mm 厚的鋁板，天線(xiàn)直接使用帶有SMA 頭的同軸電纜焊接在天線(xiàn)的饋電點(diǎn)處.天線(xiàn)和反射板使用20 mm 高的六角尼龍柱固定在一起.

圖11 寬帶DPSFD 天線(xiàn)實(shí)物圖Fig.11 Photograph of the broadband DPSFD antenna

天線(xiàn)VSWR、雙極化端口隔離度的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12 所示.

圖12 天線(xiàn)的實(shí)測(cè)VSWR 和隔離度Fig.12 Measured VSWR and isolation results of the antenna

從天線(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：天線(xiàn)在工作帶寬內(nèi)具有良好的匹配性能，VSWR 在 1.6～4 GHz 范圍小于2，相對(duì)帶寬達(dá)85.7%；雙極化端口隔離度優(yōu)于22 dB.

仿真得到天線(xiàn)的方向性特性如表2 所示.

表2 不同頻點(diǎn)天線(xiàn)的方向特性Tab.2 Characteristics of gain in different frequencies

天線(xiàn)經(jīng)過(guò)實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試，實(shí)測(cè)方向圖如圖13 所示.通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，實(shí)測(cè)主極化波束與仿真結(jié)果非常吻合，且在1.6～4 GHz 保持良好的定向性.

圖13 天線(xiàn)實(shí)測(cè)與仿真方向圖對(duì)比Fig.13 Compared simulated and measured patterns of the antenna

實(shí)測(cè)交叉極化電平比仿真結(jié)果較高，這主要是由于實(shí)際天線(xiàn)饋電點(diǎn)焊接和饋線(xiàn)安裝誤差造成的.但是實(shí)測(cè)交叉極化在非常寬的工作頻段內(nèi)依然可達(dá)到22 dB 的水平，滿(mǎn)足實(shí)際需求.將本文設(shè)計(jì)天線(xiàn)與已發(fā)表文獻(xiàn)相關(guān)天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3 所示，可以看出本文天線(xiàn)為平面結(jié)構(gòu)，帶寬更寬，尺寸更小，表現(xiàn)出良好的工作性能.

表3 本文天線(xiàn)與相關(guān)文獻(xiàn)天線(xiàn)性能比較Tab.3 Performance comparison of dual-polarized antennas

4 結(jié)論

本文提出了DPSFD 天線(xiàn)形式，利用漸變寬度的共享折合振子，有效擴(kuò)展了天線(xiàn)工作頻段.由于折合臂在天線(xiàn)輻射體內(nèi)部空間進(jìn)行折合，使得天線(xiàn)尺寸僅有最低工作頻率波長(zhǎng)的28%，遠(yuǎn)小于半波振子天線(xiàn).實(shí)物測(cè)試表明：天線(xiàn)在1.6～4 GHz 頻帶范圍內(nèi)，電壓駐波比小于2，雙極化隔離度優(yōu)于22 dB，典型增益可達(dá)8.3 dBi，具有良好的定向性.文中提出的DPSFD 天線(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)十字交叉偶極子具有更小的尺寸和更大的帶寬，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，并可組陣進(jìn)一步提升系統(tǒng)增益和實(shí)現(xiàn)波束掃描功能.