S波段雙頻圓極化半圓分形邊界微帶天線

任亞萍， 唐 寧

(桂林電子科技大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，頻率范圍在2～4 GHz的S波段電磁波迎來了新的發(fā)展高潮。無線路由、藍牙、衛(wèi)星導(dǎo)航與廣播以及ZigBee、WiMAX等均工作于此頻段。圓極化微帶天線具有體積小、成本低、易加工、易集成等特點，目前已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航與通信，以及日常通信傳輸?shù)确矫鎇1-3]，而且，多頻段的圓極化天線可提高通信容量、簡化天線結(jié)構(gòu)，故實現(xiàn)單一天線在非單一頻段工作已成為主流趨勢。

現(xiàn)已實現(xiàn)的雙頻圓極化微帶貼片天線結(jié)構(gòu)有如下幾種：文獻[4-7]采用雙層貼片層疊結(jié)構(gòu)，不同貼片輻射不同頻段，饋電方式多樣，主要通過多探針饋電及饋電網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)雙頻圓極化；文獻[8]給單層貼片附加奧爾福德環(huán)、金屬短路柱等結(jié)構(gòu)，通過改變附加結(jié)構(gòu)的尺寸實現(xiàn)不同頻段的圓極化；文獻[9]是對單層貼片進行嵌套，內(nèi)外貼片分別對應(yīng)不同諧振頻率，兩者通過極小的交點相連，相當(dāng)于分離成2個不同貼片，以此實現(xiàn)雙頻；文獻[10-11]是在貼片外部添加偏振器、功分器等裝置以實現(xiàn)雙頻圓極化；文獻[12-15]采用在不同形狀貼片上開矩形槽或T型縫隙等方式實現(xiàn)雙頻圓極化。

現(xiàn)有的增加貼片層數(shù)和附加結(jié)構(gòu)的天線會大大增加制作成本，而嵌套的方式對工藝的要求極高，能滿足結(jié)構(gòu)簡單的同時兼顧成本的只有開槽和開縫隙的方式，但是現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，參數(shù)繁多，調(diào)試繁瑣，而且天線增益也不理想。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的微帶貼片天線結(jié)構(gòu)，使用單層貼片，以對角線單點同軸饋電的方式，在方形貼片邊緣引入2組不對稱的半圓形分形曲線[16]，同時在貼片中心加載一個成比例縮小的分形槽，實現(xiàn)天線的雙頻帶圓極化工作。該天線結(jié)構(gòu)簡單，能夠為當(dāng)前通信系統(tǒng)的天線及天線陣的設(shè)計與研究提供參考。

1 設(shè)計原理與天線結(jié)構(gòu)

基于分形理論，分形曲線的構(gòu)造主要由迭代次數(shù)和凹痕因子2個參數(shù)確定，與方形天線貼片邊緣線相結(jié)合，以引入的半圓形曲線半徑作為凹痕因子，迭代次數(shù)設(shè)為1，采用對角線同軸饋電，通過調(diào)整凹痕因子，可設(shè)計出多種單頻段圓極化天線[17]。借用分形曲線在單頻段圓極化微帶天線中的影響，在貼片四周引入半圓分形曲線為邊界，同時在貼片中央載入分形槽來改變貼片表面的電流路徑，對天線所激發(fā)的2個主要的TM模同時構(gòu)成擾動，使其分成2組近似的簡并模，當(dāng)兩組簡并模正交且相位差為90°時，即可實現(xiàn)2個頻段的雙圓極化。分形槽是由分形邊界貼片的長和寬沿x軸和y軸方向進行不同比例的縮小所得。

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，L1/W1為介質(zhì)板的長度和寬度，H為介質(zhì)板的厚度，L/W為貼片的長度和寬度，Lx/Wx分別為饋電點到x軸和y軸坐標長度，r1、r2、r3、r4分別為對應(yīng)貼片邊緣引入的半圓形曲線的半徑，a為分形槽沿x軸的縮小比例，b為分形槽沿y軸的縮小比例，c為分形槽繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

由于無線路由、藍牙、衛(wèi)星導(dǎo)航與廣播以及ZigBee、WiMAX等廣泛工作在2.4～2.5 GHz頻段，故選取第一諧振點為2.5 GHz，第二諧振點選擇3.5 GHz的原因是此頻點適用于FDD、TDD以及WiMAX。以波長最長的2.5 GHz作為初始設(shè)計中方形貼片的中心頻率，介質(zhì)基片采用厚度H為3.2 mm，相對介電常數(shù)εr=2.2，損耗角正切為0.001 9的板材，代入經(jīng)驗式(1)～(7)，計算出方形貼片的初始尺寸。

(1)

(2)

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(7)

即L=W=39 mm，Lx=Wx=5.7 mm，在確定貼片初始尺寸基礎(chǔ)上，定義介質(zhì)板長寬為50 mm×50 mm，為了減少初始調(diào)試參數(shù)個數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，定義參數(shù)初始值r1=r2=r3=r4=3 mm，a=b=0.3，c=45°。

2 天線的仿真與結(jié)果分析

為探究該結(jié)構(gòu)天線的性能，首先對半圓分形曲線的參數(shù)r1、r2、r3、r4進行仿真，結(jié)果顯示，在其他參數(shù)固定時，r1和r2都會隨著參數(shù)值的增加而導(dǎo)致諧振頻率減小，2個諧振點間隔會隨之增大；r3和r4會隨著參數(shù)值的增加而導(dǎo)致第一諧振頻率點增大，第二諧振頻率點減小，2個諧振點間隔不斷減小，對第二諧振點的頻率影響較大。圖2給出了r3對S11的影響圖。

圖2 不同r3對應(yīng)的S11變化

其次，在調(diào)試分形槽的參數(shù)a、b、c時，仿真結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)，長邊縮小比例a的值與旋轉(zhuǎn)角度c的值主要影響第一諧振頻率的回波損耗值，而對2個諧振點的頻率幾乎無影響；寬邊縮小比例b的值對諧振點幾乎無影響。圖4給出了參數(shù)c對S11的影響圖。

圖3 不同c對應(yīng)的S11變化

結(jié)合圖4貼片的電流圖進行分析，可以看出，在第一諧振點2.5 GHz處，其諧振主要由分形槽邊界和貼片2個寬度方向的分形邊界上的強電流激發(fā)，可見中心分形槽參數(shù)及r1、r2對第一諧振點影響較大；在第二諧振點3.5 GHz處，其諧振主要由分布于貼片4個分形邊界曲線上的強電流激發(fā)，可見r1、r2、r3、r4對第二諧振點影響較大。

圖4 2.5 GHz和3.5 GHz處的貼片電流

由以上仿真結(jié)果分析可知，貼片單元長邊L上和寬邊W上分別引入的2個半圓分形曲線對天線圓極化性能影響是一致的，而長邊L上引入的2個半圓分形曲線對高頻段諧振點影響更大；中心分形槽起作用的主要為長邊的長度和旋轉(zhuǎn)的角度，它對低頻諧振點影響更大。

以此為基礎(chǔ)，對各參數(shù)進行仿真微調(diào)，得出優(yōu)化后的各參數(shù)值如下：L=37.8 mm，W=36.1 mm，Lx=Wx=8 mm，r1=2.54 mm，r2=2 mm，r3=3.39 mm，r4=4.47 mm，a=0.35，b=0.11，c=55.6°。優(yōu)化后該天線的S11參數(shù)和軸比分別如圖5、6所示。

圖5 優(yōu)化后S11變化

圖6 優(yōu)化后軸比

如圖5、6所示，該天線2.5 GHz和3.5 GHz頻段處的-10 dB阻抗帶寬分別為140 MHz和80 MHz，3 dB軸比帶寬分別為49 MHz和18 MHz。

圖7為2.5 GHz和3.5 GHz處xoz和yoz面輻射方向圖。由圖7可知，第一諧振點2.5 GHz處的最大輻射方向位于0°附近，最大增益可達6.52 dB；第二諧振點3.5 GHz處的最大輻射方向為θ=50°，最大增益值可達4.89 dB。

圖7 天線輻射方向圖

表1列出了幾種雙頻圓極化天線的特性參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可知對比同等復(fù)雜度的天線結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)天線的增益和相對帶寬更優(yōu)；對比同等增益和相對帶寬的天線結(jié)構(gòu)，又大大降低了其設(shè)計復(fù)雜度。

表1 不同結(jié)構(gòu)天線的特性對比

3 結(jié)束語

在通信設(shè)備結(jié)構(gòu)日新月異的今天，尋求通信系統(tǒng)各個模塊的簡單化、小型化是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的熱點之一。提出的新型天線結(jié)構(gòu)在簡化其結(jié)構(gòu)和設(shè)計復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，以引入分形曲線和分形槽的方式，實現(xiàn)了雙頻圓極化特性。仿真數(shù)據(jù)顯示，天線在2個諧振頻段的-10 dB相對帶寬分別為5.6%和2.3%，3 dB軸比相對帶寬分別為2.0%和 0.5%，最大增益值分別為6.52 dB和4.89 dB，帶寬和增益特性良好，滿足了設(shè)計需求。但是，天線在第二頻段的各項指標顯然要低于第一頻段，如何提高第二頻段的天線性能以滿足更多的工程應(yīng)用需求，是下一步的研究方向。