一種新型布局的圓極化微帶天線陣優(yōu)化設(shè)計(jì)

傅世強(qiáng),張 寧,房少軍

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116026)

微帶天線與其他天線相比,具有低成本、低剖面、易加工、易集成、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]。圓極化天線在接收機(jī)和發(fā)射機(jī)上具有更大的靈活性、更好的可移動性、更強(qiáng)的氣候穿透性,可以抑制雨霧干擾和抗多徑反射。因此,圓極化微帶天線被大量應(yīng)用于衛(wèi)星定位、衛(wèi)星通信和射頻識別等多個(gè)領(lǐng)域。目前大多數(shù)圓極化微帶單元天線增益較低,無法滿足高性能需求的場合,因此微帶天線陣列的設(shè)計(jì)得到了廣泛的研究。

微帶天線陣列的排布方式對天線的輻射性能具有重要影響。文獻(xiàn)[2]將微帶印刷偶極子天線組成4×4元正方形陣列以實(shí)現(xiàn)高增益,但采用FR4 板使天線輻射效率降低;文獻(xiàn)[3-4]采用圓形排布陣列,由于天線陣內(nèi)部空虛,使其空間利用率較低;文獻(xiàn)[5-6]和文獻(xiàn)[7]分別提出了一種六角形和八角形的布陣方法來近似同心圓環(huán)陣,采用對稱結(jié)構(gòu)使得天線輻射性能更加均勻。為了提升圓極化微帶天線陣列的輻射性能,文獻(xiàn)[8-9]把應(yīng)用順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)的4 元陣作為子陣拓?fù)涞?6 元陣和64 元陣中,并通過子陣旋轉(zhuǎn)90°使得子陣之間也形成順序旋轉(zhuǎn)技術(shù),進(jìn)一步展寬軸比帶寬;文獻(xiàn)[10]通過仿射變換把三角形柵格變換成正方形柵格,為實(shí)現(xiàn)順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)提供了一種柵格類型。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),順序旋轉(zhuǎn)圓極化天線陣通常采用子陣的數(shù)目為4 個(gè)單元[11-12],進(jìn)而拓?fù)浍@得8 元陣、16 元陣和64 元陣[13-15],但只是通過簡單的子陣拓?fù)?沒有布局最優(yōu)化。

本文提出了一款12 元新型布局的圓極化微帶天線陣。該天線陣綜合采用多項(xiàng)技術(shù)來提高阻抗匹配和改善輻射性能:利用疊層貼片雙峰諧振展寬阻抗帶寬,采用上層大、下層小的單元結(jié)構(gòu)為下層饋網(wǎng)的設(shè)計(jì)提供更大的布局空間;陣列利用內(nèi)圍4 元子陣與外圍8個(gè)天線交疊形成了5 個(gè)右旋順序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以提升圓極化性能;研究4 元子陣陣元饋電方向?qū)︸詈闲?yīng)和整體輻射性能的影響,并尋求對稱結(jié)構(gòu)簡化了饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。通過對圓極化天線陣列優(yōu)化布局的研究,在保證天線陣整體性能基本不變的情況下,實(shí)現(xiàn)了少數(shù)元陣可以達(dá)到多數(shù)元陣的效果。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 單元天線設(shè)計(jì)

單元天線通過微帶線側(cè)饋切角的形式來實(shí)現(xiàn)圓極化,兩正方形切角貼片堆疊形成雙峰諧振,展寬天線帶寬,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。下層激勵(lì)貼片邊長為L1,蝕刻在相對介電常數(shù)εr為2.65,厚度H1為1.5 mm 的F4B 介質(zhì)材料板上;上層寄生貼片邊長為L2,蝕刻在相對介電常數(shù)εr為4.4,厚度H3為0.2 mm 的FR4 介質(zhì)材料板上;激勵(lì)貼片與寄生貼片的切角尺寸分別為L4和L5;兩層介質(zhì)板之間采用空氣填充并用尼龍柱作支撐,空氣層厚度為H2。此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)下層貼片尺寸較上層貼片尺寸更小,考慮到采用微帶饋線與激勵(lì)貼片共面設(shè)計(jì),在進(jìn)行組陣時(shí),可為饋電網(wǎng)絡(luò)提供更大的布局空間。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna element structure

根據(jù)疊層微帶天線的經(jīng)典公式(1)和(2)可估算貼片的初始尺寸L1和L2。當(dāng)天線結(jié)構(gòu)包含多層不同介電常數(shù)的介質(zhì)基板時(shí),其等效介電常數(shù)εe可由式(3)給出。

式中:ΔL是考慮邊緣場影響的修正因子;c是光速;fr為諧振頻率;εe為等效介電常數(shù);i表示介質(zhì)層的層數(shù);Hi為第i層介質(zhì)層的高度;εri表示第i層介質(zhì)層的相對介電常數(shù)。

微帶天線采用單饋點(diǎn)饋電,并對天線進(jìn)行切角來實(shí)現(xiàn)圓極化。利用電磁仿真軟件HFSS 仿真分析發(fā)現(xiàn):通過微調(diào)激勵(lì)貼片邊長L1和寄生貼片邊長L2以調(diào)諧單元天線的低頻、高頻諧振點(diǎn)的位置,使雙峰的峰值近似相等;然后再微調(diào)切角邊長的尺寸L4與L5來優(yōu)化單元天線的圓極化性能,使雙峰更加均衡并相互貼近;空氣層厚度H2調(diào)諧兩層貼片之間的耦合,使得單元天線的圓極化中心工作頻率為4.2 GHz 并改善其軸比帶寬,最后通過微調(diào)饋線長度L3來進(jìn)一步優(yōu)化阻抗匹配。通過大量優(yōu)化得到天線最佳尺寸為:L1=20.9 mm,L2=30.9 mm,L3=12.5 mm,L4=4.1 mm,L5=4.1 mm,W1=1.5 mm,H1=1.5 mm,H2=0.2 mm,H3=6.5 mm,G=100 mm。仿真得到的單元輸入阻抗特性曲線如圖2 所示,其中輸入阻抗的實(shí)部雙峰分布在中心頻率4.2 GHz 的兩側(cè)且比較均衡;輸入阻抗的虛部在零點(diǎn)處上下波動且比較平緩。

圖2 單元天線輸入阻抗隨頻率變化曲線Fig.2 Input impedance versus frequency curve of unit antenna

1.2 天線陣及其饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

借鑒同心圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)上的對稱性,本文所設(shè)計(jì)的天線陣采用正方形柵格八邊形邊界,把單元天線分為內(nèi)圍與外圍,內(nèi)圍4 個(gè)單元天線在實(shí)現(xiàn)順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)的同時(shí),與外圍8 個(gè)單元天線重新組合構(gòu)成4 個(gè)同旋向的圓極化子陣,繼而12 元天線陣形成了5 個(gè)應(yīng)用順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)的右旋圓極化波,結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。為了比較,圖3(b)給出了傳統(tǒng)采用順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)的16元天線陣。在單元天線相同、饋電功分比均為1 ∶2 ∶2 ∶1(其中內(nèi)圍4 個(gè)天線單元的激勵(lì)為2,外圍8 個(gè)或12 個(gè)天線單元的激勵(lì)為1)和陣元間距均為0.75λ不變的情況下,進(jìn)行仿真對比分析,仿真結(jié)果如圖4 所示。在中心頻點(diǎn)4.2 GHz 處,垂直平面(φ=0°)和對角線平面(φ=45°),12 元陣的副瓣電平均明顯降低,3 dB圓極化軸比波束明顯展寬?？梢?此12 元天線陣列的輻射性能更優(yōu),其立體波束形狀也更加對稱;16 元陣與12 元陣的頂點(diǎn)增益與軸比相差不多,從而近似達(dá)到了少數(shù)元陣實(shí)現(xiàn)多數(shù)元陣的效果。

圖3 應(yīng)用順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)的天線陣列模型圖。(a)12 元天線陣;(b)16 元天線陣Fig.3 The model diagrams of antenna array using sequential rotation technique.(a)12 element array;(b)16 element array

圖4 中心頻率4.2 GHz 處12 元與16 元天線陣列的增益與軸比隨θ 角變化的仿真曲線。(a)φ=0°;(b)φ=45°Fig.4 Simulation curves of gain and axial ratio of 12 element and 16 element antenna arrays varying with angle θ at the center frequency of 4.2 GHz.(a)φ=0°;(b)φ=45°

饋電網(wǎng)絡(luò)是陣列天線的重要部分。通過對天線陣結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),陣列整體具有旋轉(zhuǎn)對稱性。根據(jù)饋電方向與相位的關(guān)系,對部分單元的饋電方向進(jìn)行調(diào)整,使整個(gè)陣列實(shí)現(xiàn)順序旋轉(zhuǎn)的同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)也得到了簡化。所設(shè)計(jì)的12 元微帶天線陣及功分饋電網(wǎng)絡(luò)如圖5 所示,已用深黑色畫出。其中饋源通過T 型結(jié)功分器先分成幅度相等、相位相差180°的兩路,每一路再分成三路,并利用威爾金森功分器使內(nèi)、外圍天線得到相應(yīng)的激勵(lì),采用不等功分的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)低副瓣的特性?？紤]到二項(xiàng)式分布1 ∶3 ∶3 ∶1 的饋電功分比會導(dǎo)致阻抗過大、線寬過細(xì)、不易實(shí)現(xiàn),故采用功率比為1 ∶2 ∶2 ∶1 進(jìn)行饋電。在功分網(wǎng)絡(luò)輸入端采用三節(jié)最大平坦型阻抗變換器,實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配特性。最后把SMA 接頭焊接到50 Ω 同軸饋電端口,再用尼龍柱將上下兩層介質(zhì)板固定。

圖5 天線陣及饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of antenna array and feed network

2 天線實(shí)驗(yàn)

利用電磁仿真軟件HFSS 對天線陣進(jìn)行大量的仿真優(yōu)化,并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,對天線進(jìn)行加工制作,實(shí)物如圖6 所示。

圖6 天線陣加工實(shí)物圖。(a)下層貼片及饋電網(wǎng)絡(luò);(b)天線陣整體Fig.6 Fabricated antenna array prototype.(a) Lower patch and feed network;(b) The whole antenna array

使用Agilent N5230A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的匹配特性進(jìn)行測量。圖7 給出了天線陣仿真和實(shí)測S11對比曲線,從圖7 可看出,在3.2～4.6 GHz 頻段內(nèi),實(shí)測S11基本小于-10 dB,相對帶寬達(dá)到36%。仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果趨于一致。

圖7 仿真和實(shí)測的S11曲線Fig.7 Simulated and measured S11 curves

在微波暗室中測試該天線陣的空間輻射性能。天線在工作頻率4.2 GHz 處的仿真和實(shí)測輻射方向性圖如圖8 所示,在主方向上圓極化性能良好,實(shí)測增益達(dá)到17.7 dB,交叉極化鑒別率為25.9 dB。

圖8 中心頻率4.2 GHz 處仿真和實(shí)測輻射方向性圖Fig.8 Simulated and measured radiation patterns at center frequency of 4.2 GHz

圖9 為天線的頂點(diǎn)軸比和增益隨頻率變化曲線,實(shí)測軸比小于3 dB 的頻率范圍為3.8～4.5 GHz,相對帶寬為17%;在工作頻帶4～4.4 GHz 內(nèi)天線增益基本在15 dB 以上,最高增益達(dá)17.7 dB。所設(shè)計(jì)的單元天線在頻帶4～4.4 GHz 內(nèi)最佳工作,因此天線陣在該頻段內(nèi)增益穩(wěn)定,但在兩側(cè)邊頻附近由于失配導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)消耗能量,造成天線陣的增益降低。其中,4,4.2,4.4 GHz 這三個(gè)頻點(diǎn)的方向性參數(shù)實(shí)測結(jié)果整理如表1 所示。

表1 天線在不同頻點(diǎn)處的方向性參數(shù)Tab.1 Parameters of antenna directivity at different frequency points

圖9 頂點(diǎn)增益與軸比隨頻率變化仿真和實(shí)測曲線Fig.9 Simulated and measured curves of gain and axial ratio varying with frequency

3 結(jié)論

本文提出了一款工作在C 波段的新型正方形柵格圓極化微帶天線陣。陣列采用八邊形邊界使天線陣近似于同心圓環(huán)陣來增加方向性圖的旋轉(zhuǎn)對稱性,并采用順序旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)和調(diào)整單元饋電方向的方式使12元天線陣列由5 個(gè)右旋圓極化交疊子陣組成,通過這種新型的布陣方式達(dá)到12 元天線陣近似實(shí)現(xiàn)16 元天線陣輻射性能的效果。利用電磁仿真軟件HFSS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并根據(jù)優(yōu)化出的結(jié)果尺寸對該天線陣進(jìn)行了實(shí)物加工測試,取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了方案的可行性。

該天線陣結(jié)構(gòu)緊湊且加工簡易,可應(yīng)用于對天線有高增益、小型化以及寬波束等高性能要求的C 波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。同時(shí),該款天線陣為后續(xù)微帶天線陣列的進(jìn)一步優(yōu)化提供了相關(guān)實(shí)驗(yàn)參考和數(shù)據(jù)支撐。