一種應(yīng)用于衛(wèi)星通信的小型雙頻天線設(shè)計(jì)

劉 敏,卞立安,李延秀,劉 雨,黃元芯,王垚琨,黃楷程

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

在當(dāng)前的通信時(shí)代,衛(wèi)星通信天線作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分,不斷朝著小型化、低剖面和寬帶化的方向發(fā)展。因此,人們對(duì)小型化和通用型的收發(fā)天線有了更多的需求[1]。

雙頻帶單極子天線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、體積小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、無人機(jī)和雷達(dá)等領(lǐng)域[2]。該天線的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少所需天線的數(shù)量和體積,也能夠克服不同頻段之間的干擾。其中,雙頻帶單極子天線能夠有效提高頻帶的范圍和利用率,為天線系統(tǒng)的小型化和集成化提供新的解決方案。近年來,該研究方向受到無線通信領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)天線的雙頻段工作,寄生帶加載[3]、超材料加載[4-7]、開槽并二極管加載[8-9]等技術(shù)快速發(fā)展。例如:文獻(xiàn)[3]提出了一種采用加載寄生帶的雙頻印刷天線設(shè)計(jì),覆蓋2.4GHz和5.2GHz附近的頻段,極大縮小了天線面積,降低了制造天線的成本但這種方法增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。在文獻(xiàn)[4-7]中,超材料加載雖然實(shí)現(xiàn)了多頻段工作,但其帶寬較窄且難以應(yīng)用。在文獻(xiàn)[8-9]中,開槽加載也可實(shí)現(xiàn)雙頻段工作,但這種傳統(tǒng)的開槽方法存在兩個(gè)頻段相互影響的缺點(diǎn)。除此之外,還有其它一些采用單極子實(shí)現(xiàn)雙頻工作的天線,但由于雙頻段之間的相互影響加大了天線設(shè)計(jì)的難度且降低了天線的應(yīng)用性。

上述天線盡管在尺寸或者帶寬上能夠達(dá)到不錯(cuò)的效果,但是并不具備同時(shí)滿足尺寸小、帶寬寬以及使用方便的特點(diǎn)。本文在傳統(tǒng)圓形單極子天線的基礎(chǔ)上,提出一款應(yīng)用于衛(wèi)星通信的小型化雙頻天線。通過在輻射貼片上切矩形、刻蝕兩個(gè)對(duì)稱的C型槽和兩個(gè)圓環(huán)槽,獲得了雙頻效果并實(shí)現(xiàn)天線的小型化,雙頻諧振點(diǎn)分別為5.8GHz和13.2GHz。

1 天線結(jié)構(gòu)模型

天線的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,圖1(a)為天線正面,圖1(b)為天線背面,圖1(c)為天線側(cè)面。天線介質(zhì)基板采用厚度為1.6 mm的Rogers RT/durid4350(介電系數(shù)εr=3.66、損耗正切tanδ=0.004)[10]。天線饋電采用50Ω阻抗微帶線。整個(gè)天線尺寸為16(0.309λe)mm×18.5(0.358λe)mm×1.6(0.031λe)mm,其中,λe為自由空間中5.82GHz下對(duì)應(yīng)波長(zhǎng),計(jì)算方法由式(1)所列:

圖1 天線模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna model structure diagram

(1)

式(1)中,c為光速,f為最低中心頻率,εe是有效介電常數(shù),εe可以由式(2)確定[11]:

(2)

式(2)中,εr為基板的介電系數(shù),h為基板厚度,W是輻射貼片的寬,如式(3)所列:

(3)

C形槽大小的如式(4)所列[12]

(4)

式(4)中,Ls為C形槽內(nèi)周長(zhǎng)。當(dāng)諧振頻率等于中心頻率時(shí),得到C型槽內(nèi)周長(zhǎng)尺寸。優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所列。其中,L是輻射貼片的長(zhǎng);Wg是天線削頂后所控矩形槽的寬;Hg是天線輻射貼片上矩形槽的長(zhǎng)度,r1是內(nèi)圓半徑;r2是內(nèi)圓環(huán)槽寬度;r3是外圓環(huán)內(nèi)徑,r4是外圓環(huán)外徑;Lf是饋電端口處矩形的長(zhǎng);Wf是饋電端口處矩形的寬;Wx是天線背面地板層的上短邊沿寬;RR是C環(huán)槽半徑;d1是天線背面地板層環(huán)的內(nèi)徑。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值Tab.1 Antenna structure parameters

為了更好地理解所設(shè)計(jì)天線的工作原理,采用電阻、電感、電容(電阻R、電感L、電容C,RLC)集總元件對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效,等效模型如圖2所示。其中,輻射貼片等效于由L2、C2串聯(lián)再和L1并聯(lián)構(gòu)成的LC并聯(lián)諧振電路;槽孔等效于由C1、L3、50Ω電阻三者并聯(lián)組成的RLC并聯(lián)諧振電路。通過理論計(jì)算獲得了模型的電感、電容值,然后利用兩種不同的仿真微調(diào)模型,最終得出所建模型中導(dǎo)納與天線諧振頻點(diǎn)處的實(shí)際導(dǎo)納相等的結(jié)論[13-14]。電路參數(shù)結(jié)果優(yōu)化如表2所列。圖3給出了天線的一種電路仿真和兩種不同電磁仿真的結(jié)果。電磁仿真1和電磁仿真2分別由CST軟件和HFSS軟件完成?？梢?二者大體上一致。因此,通過調(diào)節(jié)天線尺寸能夠控制等效電路的諧振特性,并依據(jù)諧振耦合原理來擴(kuò)展帶寬。

表2 等效電路模型參數(shù)值Tab.2 Equivalent circuit model parameters

圖2 天線等效電路圖Fig.2 Antenna equivalent circuit diagram

圖3 天線電路仿真和電磁仿真結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of antenna circuit simulation and electromagnetic simulation results

2 仿真結(jié)果與分析

如圖4所示,所設(shè)計(jì)天線經(jīng)歷了以下演變過程:首先,如圖4(a)所示,在傳統(tǒng)的圓形單極子天線頂部削頂并挖去一個(gè)矩形結(jié)構(gòu);其次,如圖4(b)所示,在地板上嵌入一對(duì)對(duì)稱的C型縫隙;再次,如圖4(c)所示,在輻射貼片上刻蝕兩個(gè)嵌套的圓環(huán);最后,如圖4(d)所示,天線演變?yōu)榍昂蠖加胁鄣淖罱K結(jié)構(gòu)。

圖4 天線結(jié)構(gòu)演變過程Fig.4 Evolution of antenna structure

圖5展示了四種結(jié)構(gòu)下天線回波損耗的對(duì)比?？梢钥闯?天線的主要諧振頻率集中在5.8GHz和13.2GHz處附近;平均回波損耗分別約為-20dB和-40dB,表明天線在衛(wèi)星通信下的C波段和Ku波段有良好的性能;在X波段下,只有C槽天線和前后都開槽天線最終產(chǎn)生了中心頻率為10.5GHz的陷波帶,實(shí)現(xiàn)了雙頻效果。對(duì)稱的C型縫隙能夠產(chǎn)生X波段下的陷波,減少信號(hào)干擾,提高頻譜利用率。同時(shí),在C型縫隙和圓環(huán)縫隙的共同影響下,天線獲得了良好的性能。將輻射貼片上的圓環(huán)縫隙設(shè)計(jì)為嵌套結(jié)構(gòu),同樣減小了輻射貼片的面積。在5.8GHz中心頻點(diǎn)下,阻抗帶寬為4.49GHz,相對(duì)阻抗帶寬為77%,回波損耗從-14.79dB降低到-24.88dB;在13.2GHz中心頻點(diǎn)下,阻抗帶寬為1.74GHz,相對(duì)阻抗帶寬為13.2%,回波損耗從-24.84dB降低到-54.98dB,提高了天線的性能。

圖5 四種模式天線回波損耗對(duì)比圖Fig.5 Comparison of four modes of antenna return loss

由于開槽產(chǎn)生的耦合電流會(huì)改變天線表面電流路徑[15],本文探究了開槽對(duì)天線性能的影響。圖6為天線表面電流分布圖。從圖6中可以看出,開槽引起天線槽周圍電流密度增加,產(chǎn)生了耦合電流,并改變了電流的分布,開辟了新的電流路徑,進(jìn)而產(chǎn)生了新的諧振點(diǎn)。在傳統(tǒng)的圓形單極子天線的基礎(chǔ)上,通過引入圓形環(huán)槽和C形槽,產(chǎn)生了環(huán)繞槽側(cè)邊的較長(zhǎng)電流路徑,相當(dāng)于在原高頻諧振點(diǎn)和低頻諧振點(diǎn)之間引入了一個(gè)中頻諧振點(diǎn)。槽的尺寸變化會(huì)擾動(dòng)電流路徑,導(dǎo)致兩個(gè)明顯的諧振點(diǎn)出現(xiàn)。此外,槽形的改變對(duì)低頻諧振點(diǎn)影響不大,但會(huì)使高頻諧振點(diǎn)向更高頻率移動(dòng)。這是因?yàn)樵黾訄A形環(huán)槽的寬度只影響槽內(nèi)側(cè)電流路徑,而槽外側(cè)電流路徑不受影響,因此對(duì)應(yīng)的諧振頻率會(huì)增加。通過在天線和地板分別引入圓形環(huán)槽和雙C型槽,可以進(jìn)一步增強(qiáng)槽邊緣處的電流幅度,從而增強(qiáng)了電磁場(chǎng)能量的持續(xù)輻射。同時(shí),饋線周圍的電流幅度也較高,確保了電流的良好傳輸。這樣的設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)一步提高了電磁場(chǎng)的輻射效果。由于槽的存在及其之間的耦合效應(yīng),輻射貼片上的電流路徑與原始貼片不同,從而形成了新的電流路徑,產(chǎn)生了13.2GHz的諧振點(diǎn)。在該諧振點(diǎn)處,天線電流明顯集中于槽邊緣,并在削頂矩形凹口邊緣振蕩,地板上的雙C型槽輻射效應(yīng)尤為顯著。然而,由于縫隙耦合的存在,可能會(huì)導(dǎo)致天線后向輻射過大,對(duì)天線性能造成一定影響,但也在一定程度上擴(kuò)展了天線的帶寬。

圖6 天線表面電流分布圖Fig.6 Antenna surface current distribution diagram

天線參數(shù)的變化將直接影響天線的性能,特別是C環(huán)形槽、圓環(huán)形槽和矩形槽的長(zhǎng)度。下面將闡述不同類型參數(shù)對(duì)天線性能的影響。圖7展示了對(duì)內(nèi)圓環(huán)槽寬度r2對(duì)天線S11性能的影響。從圖7中可見,天線的整體帶寬變化不大;諧振頻點(diǎn)略有偏移;諧振深度變化顯著。這說明r2的改變直接影響天線的阻抗匹配。在圖8中,C環(huán)槽半徑RR主要影響著高頻諧振點(diǎn)。隨著RR的增加,高頻諧振位置和深度大幅波動(dòng)。因此,調(diào)整C環(huán)槽半徑尺寸可以在不影響低頻諧振的情況下改變天線的高頻諧振特性。圖9描述了天線輻射貼片上矩形槽的長(zhǎng)度Hg對(duì)天線S11參數(shù)性能的影響?？梢钥闯?矩形槽的長(zhǎng)度也主要影響著高頻諧振點(diǎn)?？傊?綜合調(diào)節(jié)天線內(nèi)圓環(huán)槽寬度r2、C環(huán)槽半徑RR以及矩形槽長(zhǎng)度Hg能夠有效控制雙頻諧振深度和兩頻點(diǎn)間距。

圖7 不同r2對(duì)應(yīng)的S11值Fig.7 S11 values corresponding to different r2

圖8 不同RR對(duì)應(yīng)的S11值Fig.8 S11 values corresponding to different RR

圖9 不同Hg對(duì)應(yīng)的S11值Fig.9 S11 values corresponding to different Hg

在圖10中展示了該天線在5.8GHz和13.2GHz處的E面和H面方向圖。從圖10中可以看出,在13.2GHz處,天線在E面呈現(xiàn)出圓形全向輻射特性;在5.8GHz處輻射呈現(xiàn)出均勻?qū)ΨQ的“啞鈴型”。隨著頻率的升高,天線在H面方向圖逐漸變差,但總體上仍保持雙頻寬帶天線的輻射特性。

圖10 天線方向圖對(duì)比Fig.10 Comparison of antenna direction

在圖11中顯示了天線的增益和軸比。從圖中可以觀察到,在天線的工作頻帶內(nèi)增益的變化范圍為2.8dBi～5.9dBi。在13.59GHz處,天線獲得最高增益5.9dBi。同時(shí),圖中顯示的天線軸比在所需工作頻段內(nèi)小于3dB,符合圓極化天線的特點(diǎn)[14]。

圖11 天線增益和軸比圖Fig.11 Antenna gain and axis ratio diagram

最后,表3對(duì)本文的雙頻天線與其他已發(fā)表的雙頻天線性能進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[6]中的天線雖然增益較高,但帶寬較窄。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]中的天線尺寸雖小,但增益較低且?guī)捿^窄。文獻(xiàn)[5]中的天線帶寬較寬且尺寸較小,但增益相對(duì)較低。盡管文獻(xiàn)[8]中的天線性能較好,但其使用了更多二極管,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制造成本提高。因此,這些天線在工作帶寬、增益或尺寸方面存在一定的不足,無法很好地滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對(duì)較大寬帶、較高增益和較小尺寸的需求。綜合比較結(jié)果表明,本文的天線結(jié)構(gòu)緊湊、帶寬大、增益較高具有較好性能。

表3 本文天線與參考文獻(xiàn)中天線對(duì)比Tab.3 Comparison between the antenna in this paper and the antenna in the references

3 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于衛(wèi)星通信的小型化雙頻天線,該天線以傳統(tǒng)的圓形單極子天線為基礎(chǔ),通過削頂、矩形切割和開槽加載等多種處理方式,實(shí)現(xiàn)了天線尺寸的縮小和帶寬的擴(kuò)展。同時(shí),提出了其等效電路模型,對(duì)其輻射原理進(jìn)行了深入分析,并利用電磁仿真軟件進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明,該天線尺寸緊湊、性能穩(wěn)定,具有高增益、寬帶寬和圓極化特性,用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。雖然單極子天線固有局限性,只能在特定方向上接收和發(fā)射無線電波,但后續(xù)利用天線智能算法,提高其應(yīng)用范圍和精度。