胡金艷,楊 君, 秦文華,趙建平,徐 娟
(曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165)
與線極化天線相比,圓極化天線有幾個(gè)重要的優(yōu)勢:對(duì)抗多徑干擾或衰落﹑減少電離層的“法拉第旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)和降低極化失配。因此,圓極化天線成為各種無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),如衛(wèi)星通信﹑移動(dòng)通信﹑全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(G NSS)﹑無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WNS)﹑射頻識(shí)別(RFID)﹑無線局域網(wǎng)(WLAN)﹑無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)以及直接廣播服務(wù)(DBS)電視接收系統(tǒng)等。圓極化波產(chǎn)生的關(guān)鍵是通過饋電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩個(gè)方向正交﹑幅度相等﹑相位差90°的線極化波。實(shí)現(xiàn)天線圓極化的常用方法有單饋法﹑多饋法和多元法[1]。單饋法基于空腔模理論,通過引入幾何微擾
激勵(lì)出簡并模分離單元[2],通過破壞模式的平衡性來實(shí)現(xiàn)圓極化,如切角﹑表面開槽等。多饋法是在多個(gè)饋電點(diǎn)處形成電場幅度相等﹑相互正交﹑相位相差90°的線極化波,然后各個(gè)線極化波同時(shí)工作,電場矢量相互疊加來實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。與單饋法相比,多饋法可提高阻抗帶寬和軸比帶寬。多元法與多饋法相似,使用多個(gè)線極化輻射單元,每一個(gè)饋電點(diǎn)分別對(duì)一個(gè)輻射元進(jìn)行饋電,通過對(duì)單元天線位置的合理安排達(dá)到輻射圓極化波。與多饋法相比,多元法沒有復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)簡單,增益高。
通信過程中,如果傳播環(huán)境比較惡劣,微波信號(hào)會(huì)發(fā)生多普勒頻移和深度衰落,導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。采用頻率分集技術(shù)設(shè)計(jì)的雙頻天線能夠擴(kuò)充通信容量,提高系統(tǒng)的抗干擾能力,使天線同時(shí)在收﹑發(fā)兩個(gè)頻段工作。因此,雙頻圓極化天線不但實(shí)現(xiàn)了收發(fā)天線一體,還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
微帶天線實(shí)現(xiàn)雙頻的方法主要有單貼片法和多貼片法[3]。多貼片法是利用諧振頻率不同的多個(gè)貼片來工作。大貼片代表小的諧振頻率,小貼片代表大的諧振頻率。設(shè)計(jì)天線時(shí),一般將小貼片疊在大貼片上。單貼片法是只有一個(gè)貼片,通過貼片的不同模式進(jìn)行工作。文獻(xiàn)[4-5]采用雙層微帶貼片堆疊結(jié)構(gòu),引入不同諧振頻率的圓極化輻射單元,實(shí)現(xiàn)了雙頻工作。文獻(xiàn)[6-7]采用單貼片微帶結(jié)構(gòu),利用幾種不同的自然模式實(shí)現(xiàn)雙頻。但是,多貼片法和傳統(tǒng)的單貼片法設(shè)計(jì)的雙頻天線體積大﹑剖面高,在很多設(shè)備中并不適用。而采用旋轉(zhuǎn)饋電法[8]不僅能夠減小天線尺寸,還能提高天線增益。
為了使天線形成雙頻圓極化輻射,提高天線增益,降低天線復(fù)雜度,減小天線體積,本文通過旋轉(zhuǎn)饋電的方法設(shè)計(jì)了一種雙頻圓極化天線。通過三維電磁仿真軟件進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化,最終能在兩個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)雙頻分工。
設(shè)計(jì)的雙頻圓極化天線結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖,如圖1所示。貼片位于單層基板上,基板采用Roger 5880,介電常數(shù)εr=2.2,厚度h=3.175 mm。天線中心為矩形金屬環(huán),金屬環(huán)周邊的四個(gè)貼片依次旋轉(zhuǎn)90°排列,并通過四個(gè)微帶線與金屬環(huán)相連。其中,微帶貼片單元采用對(duì)角線切角設(shè)計(jì)。金屬環(huán)內(nèi)由一個(gè)L型支路,其中一條支路開一個(gè)通孔,為陣列進(jìn)行饋電。天線經(jīng)過三維電磁仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化,得到該陣列天線各尺寸參數(shù)值,見表1。
圖1 陣列天線結(jié)構(gòu)及尺寸
表1 陣列天線各尺寸參數(shù)值
常用的減小天線尺寸的技術(shù)是調(diào)整貼片的形狀。對(duì)于單饋式圓極化貼片天線,可以使用長方形﹑近似的正方形環(huán)﹑具有擾動(dòng)的等邊三角形貼片以及帶擾動(dòng)的等邊三角環(huán)﹑帶擾動(dòng)的環(huán)等,而不是近似的正方形或圓形等。
本文天線的貼片單元采用對(duì)角線切角設(shè)計(jì),類似于單饋法引入微擾,激勵(lì)起兩個(gè)輻射正交極化的簡并模(TM01模和TM10模),從而利用這兩個(gè)簡并模進(jìn)行工作產(chǎn)生圓極化輻射。由于切角的貼片單元的對(duì)角線長度不等,兩個(gè)單元對(duì)應(yīng)的諧振頻率也不相等,形成的極化形式也會(huì)在圓極化和線極化之間不斷變化,這樣就有效擴(kuò)展了天線帶寬。因?yàn)樘炀€采用的旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)對(duì)單個(gè)貼片單元的極化方式不敏感,只需要矢量疊加的電場為圓極化波即可。所以,通過選擇合適的旋轉(zhuǎn)饋電方式天線就可獲得圓極化波。
類似于寬帶圓極化貼片天線,多頻帶圓極化貼片天線可以通過使用單個(gè)或多個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。單饋源設(shè)計(jì)具有饋源結(jié)構(gòu)簡單﹑體積小﹑制造成本低的優(yōu)點(diǎn),但帶寬通常較窄。利用多饋源陣可以抑制非期望的高階模,具有高偏振度的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于本文的天線結(jié)構(gòu),如果采用四個(gè)饋電點(diǎn),則需要一個(gè)更復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò),以提供四個(gè)端口分別為0°﹑90°﹑180°和270°相位差異。這些饋電網(wǎng)絡(luò)將占用大量空間,增加復(fù)雜性和高成本。綜合考慮,本文的雙頻段圓極化天線的設(shè)計(jì)使用單個(gè)50 Ω的SMA接頭饋電,如圖2所示。
圖2 雙頻圓極化天線的饋電
使用單個(gè)50 Ω的SMA接頭饋電外加一個(gè)矩形環(huán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)饋電,能夠減小天線尺寸,降低天線的復(fù)雜度。天線中心的矩形環(huán)中有一個(gè)L型微帶線,SMA的內(nèi)導(dǎo)體與微帶線相連接,外導(dǎo)體與地板相連接。仿真時(shí),電流會(huì)沿著矩形環(huán)流動(dòng)依次到達(dá)每一個(gè)貼片。T=0°和 T=90°時(shí),分別是兩個(gè)對(duì)角線上的貼片工作。雖然每個(gè)貼片都工作在線極化波模式,但是陣列的極化模式為圓極化波。T=0°和T=90°時(shí),陣列天線表面電流分布仿真圖如圖3﹑圖4所示。圖5表示中心矩形環(huán)的電流流向圖。
利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真。圖6表示天線的回波損耗,反映了雙頻圓極化天線的損耗隨著頻率變化的曲線。由圖6可以看出,天線為雙頻帶工作。反射系數(shù)小于-10 dB頻帶值為1.38~1.4 GHz和1.5 5~1.58 GHz。
圖 7顯示了該天線的軸比帶寬曲線。圖7中軸比小于3 dB頻帶范圍分別為1.36~1.42 GHz和1.6~1.62 GHz。
圖8顯示了該天線的增益曲線??梢钥闯?,天線在頻率為1.61 GHz時(shí)增益最高,為11.59 dB。這是由于天線在此頻率點(diǎn)處微帶貼片為圓極化模式,四個(gè)貼片同時(shí)工作,電場矢量相互疊加。
圖3 1.39 GHz下的陣列天線表面電流分布
圖4 1.57 GHz下的陣列天線表面電流分布
圖5 陣列天線中心矩形環(huán)電流流向
圖9為天線 在1.39 GHz和1.57 GHz處XOZ和YOZ截面上的增益方向圖??梢钥闯?,天線的副瓣很小,在E面和H面的全向性都相當(dāng)好。
圖10為兩個(gè)工作頻段1.39 GHz和1.57 GHz的三維方向圖。
圖6 雙頻圓極化天線的反射系數(shù)
圖7 雙頻圓極化天線的軸比
圖8 雙頻圓極化天線的增益
圖9 XOZ和YOZ截面上的增益方向
圖10 雙頻圓極化天線的三維方向圖
本文利用旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)和貼片對(duì)角線切角技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和雙頻圓極化的特性,并用三維電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真優(yōu)化。該雙頻圓極化天線只需要單層介質(zhì)基板,結(jié)構(gòu)緊湊,饋電簡單。
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