王振楠， 張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

0　引　言

近年來(lái)， 微帶天線的研究取得了很大進(jìn)展. 相比其他類(lèi)型天線， 微帶天線具有重量輕， 體積小， 低輪廓， 易于和載體共形等[1]特點(diǎn). 微帶共形天線廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信， 雷達(dá)， 導(dǎo)彈等武器設(shè)備中， 從而改善飛機(jī)的氣動(dòng)外形并降低了雷達(dá)散射截面積(Radar-cross section, RCS)[2]. 對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的柱形載體， 如導(dǎo)彈， 要求所配天線不影響柱體的動(dòng)力學(xué)特征[3]， 還要滿足全向輻射， 故可采用天線陣結(jié)構(gòu). 如文獻(xiàn)[4]就是通過(guò)運(yùn)用柱體表面的對(duì)稱天線陣實(shí)現(xiàn)了均勻全向輻射； 文獻(xiàn)[5]利用32元泰勒天線陣構(gòu)成的全向共形天線， 有效減小旁瓣的幅度； 文獻(xiàn)[6]通過(guò)添加寄生貼片展寬了頻帶， 所實(shí)現(xiàn)天線的相對(duì)軸比帶寬為44%， 阻抗帶寬為61%； 文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的是與圓柱共形的寬頻圓極化天線， 相對(duì)阻抗帶寬為45%， 饋電網(wǎng)絡(luò)采用了巴倫結(jié)構(gòu)； 文獻(xiàn)[8]中采用三角形貼片設(shè)計(jì)了2.3 GHz～8 GHz的寬頻帶天線， 具有尺寸小、 易加工等特點(diǎn)； 文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的是一種新型分形結(jié)構(gòu)天線, 能同時(shí)工作在藍(lán)牙、 WLAN和WiMAX頻段； 文獻(xiàn)[10]通過(guò)采用彎折的幾何結(jié)構(gòu)及鋸齒形穿線結(jié)構(gòu)構(gòu)造了一種可穿戴的UHF RFID標(biāo)簽天線， 工作頻率為910 MHz.

本文提出了一種工作在2.4 GHz處的全向圓柱體共形天線. 天線采用4組完全相同且對(duì)稱分布的貼片實(shí)現(xiàn)全向輻射. 天線的工作頻段為2.3 GHz～2.58 GHz, 在θ=60°平面可形成全向輻射， 可用于手榴彈的定位. 通過(guò)添加寄生貼片并采用邊饋的方式來(lái)展寬頻帶.

1　天線結(jié)構(gòu)及工作特性

1.1　天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的全向圓柱體共形天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 天線介質(zhì)分為2層， 外層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為6.15， 厚度為0.762 mm， 內(nèi)層介電常數(shù)為2.2， 厚度為0.787 4 mm， 兩種材料的損耗角正切均分別為0.001 9與0.000 9， 最外層是輻射貼片， 中間層為饋電網(wǎng)絡(luò)， 最內(nèi)層為接地板. 由接地板向饋線方向饋電.

圖 1　天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of the proposed antenna

圖 2 是貼片陣示意圖， 由8個(gè)大小相同的矩形貼片構(gòu)成， 為了圖示清晰， 這里僅畫(huà)出4個(gè)貼片. 下面一排貼片為主要輻射單元； 上方的附屬貼片用來(lái)展寬頻帶. 天線采用的饋電網(wǎng)絡(luò)如圖 2 中黑色實(shí)線所示， 位于天線兩層介質(zhì)之間. 為了獲得全向的輻射方向圖， 采用4分功率分配器， 將端口所提供的能量均勻地傳遞到4組貼片上. 頂端的小枝節(jié)用于調(diào)節(jié)與附屬貼片之間的匹配程度. 圖 2 所示為饋電效果最理想時(shí)的相對(duì)位置.

圖 2　貼片平面示意圖Fig.2　Geometry of feed lines and patches

1.2　參數(shù)分析

圖 3　附屬貼片對(duì)S11的影響Fig.3　Effect of accessory patchs on S11

在天線的仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加附屬貼片和改變饋電點(diǎn)位置可以展寬頻帶. 圖 3 是附屬貼片對(duì)天線帶寬影響的示意圖. 其中- ▲ -曲線是未添加附屬貼片的S11圖， -10 dB阻抗帶寬為2.44 GHz～2.55 GHz. - □ -曲線為改進(jìn)后天線的仿真結(jié)果， -10 dB阻抗帶寬為2.3 GHz～2.58 GHz. 通過(guò)對(duì)比， 8貼片結(jié)構(gòu)比4貼片結(jié)構(gòu)的帶寬增加1.5倍.

矩形貼片天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)就是饋電點(diǎn)位置， 作為矩形貼片天線的變形， 改變饋電線相對(duì)于貼片的位置可調(diào)節(jié)天線性能， 采用合適的偏饋位置可以獲得較好的匹配效果. 通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)， 調(diào)節(jié)饋線與貼片相對(duì)位置w3， 天線的阻抗特性S11發(fā)生明顯變化， 如圖 4 所示. 當(dāng)w3=16.5 mm 即饋電位置位于貼片中心處時(shí)， 帶寬為116 MHz， 經(jīng)過(guò)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用w3=26.37 mm 的偏饋時(shí)， 天線阻抗匹配情況最為理想， 帶寬為280 MHz.

圖 5 為w2對(duì)S11曲線的影響. 饋電線寬度w2可以明顯影響耦合程度， 當(dāng)w2=1.4 mm時(shí)， 匹配最好.

圖 4　中心饋電與邊饋對(duì)S11曲線的影響Fig.4　Effect of center feed and edge feed on S11

圖 5　S11曲線隨w2變化曲線Fig.5　S11 changing curve with different w2

1.3　仿真結(jié)果

圖 6 給出了天線S11的仿真結(jié)果. 天線-10 dB阻抗帶寬為2.3 GHz～2.58 GHz， 兩頻率諧振點(diǎn)2.38 GHz和2.52 GHz的對(duì)應(yīng)值分別為-38.6 dB和-30.5 dB.

圖7是天線在θ=60°,φ=120°處的增益曲線， 最大值在2.504 GHz處， 為4.816 dB.

圖 6　天線S11仿真結(jié)果 Fig.6　The simulation results of S11

圖 7　增益曲線Fig.7　Gain curve

圖 8 是天線的輻射方向圖. 由8(a)可知， 在φ=0°的垂直平面上，θ=30°～98°與θ=254°～330°范圍內(nèi)輻射較強(qiáng)； 圖8(b)為θ=60°平面處仿真結(jié)果， 方向圖在所有水平面呈“O”形， 即全向輻射， 主極化明顯大于交叉極化.

圖 8　天線輻射方向圖Fig.8　Antenna radiation direction

2　結(jié)　論

本文提出了一種全向圓柱體共形微帶天線， 研究了輻射貼片的數(shù)量與饋電位置對(duì)天線性能的影響. 饋電方式為臨近耦合饋電， 結(jié)構(gòu)采用4分功率分配器. 圓柱介質(zhì)直徑為50 mm， 柱體高100 mm， 符合手榴彈的尺寸標(biāo)準(zhǔn)， 柱體內(nèi)表面附著有完整接地板， 可以對(duì)內(nèi)部空間起到屏蔽作用， 滿足實(shí)際應(yīng)用要求. 文中采用HFSSV13進(jìn)行仿真， 其工作頻段為2.3 GHz～2.58 GHz， 在水平面可形成全向輻射， 最大增益為4.816 dB.

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