一種典型超寬帶圓極化天線的設(shè)計(jì)及仿真*

王志霞

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 太原 030000)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，無線通信技術(shù)日新月異，人們對無線通信的要求也越來越高。當(dāng)前市場對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求日益劇增，也就意味著對短距離無線通信的傳輸速率提出了更高的要求，要想提高傳輸速率，必須提高傳輸帶寬。天線作為無線通信中重要的射頻終端，在通信中起著舉足輕重的作用，也受到越來越多的關(guān)注。天線技術(shù)隨著通信技術(shù)的發(fā)展不斷地向著更高的層次演進(jìn)：由全向性向特定方向、由單一極化向雙極化、由單波束向多波束、由單頻點(diǎn)向超寬帶等方向發(fā)展。針對數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)高速率的需求，本文設(shè)計(jì)了一款超寬帶圓極化微帶天線。該天線主要涉及超寬帶、圓極化、微帶線三大部分，這三方面在無線通信天線技術(shù)中起著舉足輕重的作用。

◆ 超寬帶:隨著無線通信技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，頻譜資源隨之開始匱乏。與此同時，超寬帶技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超寬帶英文全稱Ultra Wide Band,簡稱UWB，是一種新型的無線通信技術(shù)。與單頻帶技術(shù)相比，超寬帶抗干擾性能好、傳輸速率高、帶寬極寬、系統(tǒng)容量大、發(fā)射功率低、保密性好、多徑分辨率高，適用于短距離大容量傳輸[1]。

◆ 圓極化:天線輻射電磁波形式分為線極化、圓極化和橢圓極化。其中圓極化是指電磁波極化面與大地法線面之間的夾角0°～360°循環(huán)變化時，電場強(qiáng)度大小不變，方向變化，電場矢量的末端軌跡在垂直于電磁波傳播方向的平面上的投影為圓形[2]。圓極化分為左旋極化和右旋極化。線極化是指電場矢量末端隨時間變化的運(yùn)動軌跡為直線。當(dāng)收發(fā)天線采用線極化天線時，收發(fā)天線必須保持極化角度相同，才能保證更好的通信鏈路。因此在移動通信中不適宜使用線極化通信。當(dāng)發(fā)射天線采用圓極化時，接收天線無需考慮極化角度，只需要對準(zhǔn)發(fā)射天線即可。因此圓極化天線在移動應(yīng)用中應(yīng)用較廣泛，衛(wèi)星通訊中也多采用圓極化天線。圓極化天線與線極化天線相比，可以有效降低極化失配，有效抑制多徑干擾，提高通信穩(wěn)定性。

◆ 微帶天線:隨著現(xiàn)代社會航空科技和潛水技術(shù)的不斷發(fā)展，這些特殊領(lǐng)域?qū)νㄐ偶夹g(shù)的通信終端——天線，提出了更高的要求?；诖诵枨螅炀€應(yīng)運(yùn)而生。微帶天線具有體積小、平面薄、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、造價低、加工方便、易集成等優(yōu)點(diǎn)。微帶天線突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，主要有接地金屬面、介質(zhì)基板、輻射貼片面和饋電四部分組成。這四部分中任何一個參數(shù)對天線性能都起著至關(guān)重要的作用。其中饋電點(diǎn)位置不同，天線呈現(xiàn)的輸入阻抗不同。天線的輸入阻抗必須與和天線相連接的同軸電纜的特性阻抗相等。同軸電纜的特性阻抗一般有50和75兩種。因此可通過改變天線饋電點(diǎn)的位置，使天線呈現(xiàn)50的輸入阻抗，即可完成天線阻抗匹配。

1 超寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款超寬帶圓極化微帶天線，結(jié)構(gòu)如圖1所示。微帶天線結(jié)構(gòu)由四部分組成：輻射貼片部分、介質(zhì)基板、饋電網(wǎng)絡(luò)和接地金屬板部分[3]。該天線介質(zhì)基板長寬高分別為45 mm、45 mm、5 mm，填充介質(zhì)采用Rogers RO4003(tm)。輻射部分為正方形貼片切除對角三角形，其厚度忽略不計(jì)，正方形邊長為21.2 mm,三角形切角邊長為5.26 mm。饋電網(wǎng)絡(luò)采用同軸探針饋電方式饋電，探針采用理想電導(dǎo)體，半徑為0.5 mm,高度為5 mm。波端口采用集總參數(shù)端口激勵，半徑為1.5 mm。通過HFSS電磁軟件仿真獲得，該天線S參數(shù)如圖2所示。由圖可知該天線-10 dB寬度頻率范圍為3 GHz～4.1 GHz，帶寬高達(dá)1.1 GHz。

圖1 超寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 超寬帶圓極化天線S參數(shù)

2 三角形切角長度對天線的影響

首先，正方形貼片對角切割后，通過仿真軟件對貼片參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得天線輻射電場在水平和垂直方向振幅相等，相位相差90°，進(jìn)而形成圓極化，其增益方向圖如圖3所示。

圖3 天線增益圖

其次，正方形貼片的切角除了能產(chǎn)生90°相位差外，對天線的其他性能也有較大影響。通過對切角長度參數(shù)掃描可知三角形切角長度對天線的S參數(shù)性能影響如圖4所示。由圖可知，切角長度分別設(shè)置為7 mm、8 mm、9 mm，隨著切角長度變長，天線工作頻率逐漸變小，與此同時產(chǎn)生了一個新的工作頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙頻帶。

圖4 不同切角長度對天線性能的影響

最后，通過優(yōu)化貼片的寬度，令正方形輻射貼片邊長為21.2 mm，使得產(chǎn)生的兩個工作頻點(diǎn)合并在一起，進(jìn)而形成了本文設(shè)計(jì)的高達(dá)1 GHz(如圖2所示)的超寬帶。

3 介質(zhì)基板厚度對天線性能的影響

根據(jù)理論分析天線的工作頻率不受介質(zhì)基板厚度的影響，其工作頻率主要受輻射貼片的形狀、尺寸、介質(zhì)基板材料、以及饋電點(diǎn)位置影響。通過HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真分析，獲得如圖5所示的S參數(shù)，分別將介質(zhì)基板厚度設(shè)置為4 mm、6 mm、7 mm，由圖可知，隨著介質(zhì)基板厚度的增加，天線的工作頻率并沒有大的變化，只是在介質(zhì)基板厚度為4 mm時出現(xiàn)了另一個工作頻點(diǎn)。這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的超寬帶天線的原理由第三節(jié)三角形切角長度對天線的影響中可知，首先讓天線產(chǎn)生兩個工作頻點(diǎn)，然后通過調(diào)節(jié)輻射貼片的長度讓兩個工作頻點(diǎn)合并在一起，最后形成了超寬帶天線。顯然這里介質(zhì)基板厚度為4 mm時，重新又將原來合并在一起的兩個工作頻點(diǎn)拆開了，但是其中一個主要的工作頻點(diǎn)還是和原來的頻率保持一致，沒有改變。

圖5 介質(zhì)基板厚度對天線性能的影響

4 小結(jié)

為響應(yīng)當(dāng)前無線通信市場高速率、小型化的需求，并有效抑制多徑干擾，提高通信穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一款超寬帶圓極化微帶天線。通過HFSS仿真優(yōu)化參數(shù)，改變輻射貼片的寬度，調(diào)整切角長度，最終將由切角長度引起的雙頻帶合并在一起，實(shí)現(xiàn)了-10 dB寬度高達(dá)1 GHz的超寬帶，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。通過將正方形貼片的對角切割，使天線輻射電場的相位差為90°，進(jìn)而形成圓極化。另外該天線還采用微帶線的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線體積小、重量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易集成等優(yōu)點(diǎn)。文中還分別分析了三角形切角長度和介質(zhì)基板厚度對天線性能參數(shù)的影響。