張 悅

(中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

0 引言

全向圓極化天線在全球定位系統(tǒng)和個(gè)人移動(dòng)系統(tǒng)之類的無線通信系統(tǒng)中越來越受歡迎，同時(shí)也逐漸應(yīng)用到了機(jī)載系統(tǒng)中[1]。傳統(tǒng)機(jī)載天線大多為線極化[2-8]，如果機(jī)載天線可以同時(shí)接收垂直極化和水平極化，那么就減輕了機(jī)載天線和地面端天線之間的極化失配，改善了信號(hào)質(zhì)量。而大多圓極化天線都是定向輻射[9-10]，無法滿足機(jī)載全向通信的需求。

為了滿足技術(shù)需求，過去幾年提出了許多設(shè)計(jì)全向圓極化天線的方法。在文獻(xiàn)[11]中，天線通過貼片和槽的輻射來產(chǎn)生圓極化全向輻射；文獻(xiàn)[12]中提出了一種裝有改進(jìn)的圓形貼片介質(zhì)諧振器天線，它可以實(shí)現(xiàn)雙頻和雙圓極化全向輻射；文獻(xiàn)[13]中，通過基于圓柱結(jié)構(gòu)的縫隙陣列天線實(shí)現(xiàn)全向圓極化工作。上述天線均可以產(chǎn)生全向圓極化輻射，但它們的體積和重量都較大。

為了使全向圓極化天線的結(jié)構(gòu)小型化，科研工作者開展了一些研究。Shi和Liu[14]提出了一種帶有縫隙和短路引腳的圓形貼片天線，剖面高度為0.028λ0；文獻(xiàn)[15]中天線利用圓形貼片的兩個(gè)單極模式工作，其剖面高度減小到0.024λ0。雖然這些天線的輪廓可以進(jìn)一步減小，但它們的橫向尺寸仍比較大，分別為0.78λ0和1.44λ0。文獻(xiàn)[16]中采用了4個(gè)彎曲偶極子，實(shí)現(xiàn)了尺寸為0.35λ0×0.35λ0×0.13λ0的小型化全向圓極化天線；到目前為止，文獻(xiàn)[17]中實(shí)現(xiàn)了最小的全向圓極化天線，其尺寸為0.22λ0×0.22λ0×0.076λ0。

眾所周知，天線的電尺寸與其性能直接相關(guān)[18-22]。因此，與上述天線相比，本文提出了一種具有更小尺寸的新型全向圓極化天線?；⌒钨N片和加載在圓盤上的探針用于實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射，使用4個(gè)短路針實(shí)現(xiàn)小型的結(jié)構(gòu)。特別的是，本工作創(chuàng)新地提出了4個(gè)耦合弧可以極大減小天線的尺寸。最后，本文提出的天線具有非常小的尺寸0.16λ0×0.16λ0×0.03λ0，同時(shí)，還獲得了可以滿足需求的帶寬和增益。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由輻射貼片、匹配網(wǎng)絡(luò)、饋電探針和4個(gè)短路針組成。輻射貼片和匹配網(wǎng)絡(luò)分別印刷在厚度為1和0 mm上介質(zhì)基板和下介質(zhì)基板。2個(gè)基板的相對(duì)介電常數(shù)均為2.65，損耗角正切為0.002。其中輻射貼片包含4個(gè)耦合弧，一個(gè)耦合弧由外弧和內(nèi)弧組成，內(nèi)弧放置在外弧內(nèi)，其一端連接到外弧。外弧和內(nèi)弧的半徑分別標(biāo)記為Router和Rinner。輻射貼片由裝載在圓盤上的探針通過中心的容性耦合進(jìn)行激勵(lì)。4個(gè)短路針用來使外弧末端接地，此外還具有支撐和連接上、下基板的作用。饋電探針和短路引腳的材料都是銅質(zhì)。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)

下基板與上基板距離為H，為了獲得良好的阻抗匹配，在下基板上設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖1(d)所示。該天線的輸入阻抗接近25 Ω，因此引入阻抗變換線匹配到50 Ω。阻抗變換線在1.435 GHz的基板中約為四分之一波長，每個(gè)部分的特征阻抗如圖1(d)所示。通過計(jì)算和調(diào)整，天線參數(shù)如下：Router=16 mm，Rinner=13 mm，R1=1 mm，R2=2 mm，R3=3 mm，W1=2 mm，W2=2 mm，W3=0 mm，W4=1 mm，L1=25 mm，L2=18 mm，H=5 mm。

2 原理和方法

為了清楚地理解設(shè)計(jì)方法和工作原理，本節(jié)討論了該天線的全向圓極化特性和小型化特性。

2.1 全向圓極化特性

圓極化天線可以通過2個(gè)正交的線性極化場組合實(shí)現(xiàn)，這2個(gè)場幅度相等相位相差90°。輻射貼片可以看作是4個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱元件的并集，每部分都包含耦合弧和短路針。這4個(gè)耦合弧是半徑為R1的環(huán)，其遠(yuǎn)場的電場表示：

(1)

式中，J1為第一階貝塞爾函數(shù)；[I]為環(huán)路上的電流大小；ω為工作頻率；μ0為自由空間磁導(dǎo)率；r為從坐標(biāo)中心到觀察點(diǎn)的距離。此外，加載在圓盤上的探針可以看作是長度為H的短路電流，其遠(yuǎn)場可以表示為：

(2)

從上面的等式可知，如果饋電探針和耦合弧被均勻電流[I]激發(fā)，則可以產(chǎn)生2個(gè)具有90°相位差的正交極化場。

天線在1.435 GHz的電流分布如圖2所示。

圖2 天線在1.435 GHz的電流分布

由圖2可以看出，從饋電探針到外耦合弧，電流不會(huì)一次性改變相位的方向。因此，耦合弧產(chǎn)生的遠(yuǎn)場垂直于饋電針產(chǎn)生的遠(yuǎn)場。由于結(jié)構(gòu)非常小，所以水平電流和垂直電流的幅度幾乎相等，使∠Eθ-∠Eφ=90°，天線就可以在水平面上輻射右旋圓極化(RHCP)波。

此外，饋電探針和4個(gè)耦合弧都具有全向輻射圖。因此，該天線可以實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射。

2.2 小型化

天線的小型化是短路針和強(qiáng)耦合的影響。另外，耦合弧可以大大降低天線的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)天線單元的小型化。

天線的小型化過程可以從天線的4個(gè)改進(jìn)模型看出，如圖3所示。

圖3 天線的4個(gè)改進(jìn)模型

Ant1是單個(gè)輻射元件，僅是一個(gè)沒有短路針的外?。籄nt2在Ant1上添加了短路針；Ant3組裝了4個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的Ant2；Ant4是最終具有耦合弧的天線。圖4給出了4個(gè)天線的電壓駐波比(VSWR)曲線。

圖4 Ant1，Ant2，Ant3和Ant4的VSWR

Ant1的工作頻率為5 GHz，添加短路針后(Ant2)，工作頻率變?yōu)?.65 GHz，當(dāng)采用4個(gè)Ant2時(shí)，元件之間的耦合使工作頻率明顯降低到1.85 GHz。此時(shí)Ant3的電尺寸為0.206λ0×0.206λ0×0.04λ0。

如果耦合效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，可以進(jìn)一步降低工作頻率。因此，在外弧內(nèi)引入4個(gè)內(nèi)弧以形成耦合弧。從圖4中可以看出，在添加內(nèi)弧之后，工作頻率進(jìn)一步降低到1.435 GHz。天線的電尺寸減小到0.16λ0×0.16λ0×0.03λ0。

主要有2個(gè)因素影響耦合—外弧和內(nèi)弧之間的間隙以及內(nèi)弧的長度，它們對(duì)工作頻率的影響如圖5和圖6所示。

在圖5(a)中，工作頻率隨著W3的減小而減小。理論上講，W3應(yīng)盡可能小，但如果W3進(jìn)一步減小，輸入阻抗將不能與50 Ω匹配。當(dāng)W3減小時(shí)，軸比曲線也移動(dòng)到較低頻率，如圖5(b)所示；另一方面，隨著內(nèi)弧的長度(L2)的增加，可以加強(qiáng)耦合。

(a)VSWR

(b)AR圖5 不同W3的VSWR和AR

(a)VSWR

(b)AR圖6 不同L2的VSWR和AR

如圖6所示，當(dāng)L2增加時(shí)，工作頻率移動(dòng)到較低頻帶。為了獲得更好的阻抗匹配和更低的工作頻率最后選擇L2=18 mm。從上述結(jié)果可以知道，各部分之間的耦合度可以通過耦合弧的參數(shù)來調(diào)整。另外，軸比帶寬也較寬(AR<3 dB)，從1.34～1.76 GHz(W3=0 mm，L2=18 mm)為27%。當(dāng)天線的工作頻率根據(jù)要求改變時(shí)，軸比可以保持穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用本文所提出的方法加工了天線實(shí)物，實(shí)物照片如圖7所示。由于結(jié)構(gòu)簡單體型較小，天線的總重量僅為4.2 g(不包括射頻連接器)。

(a)俯視圖

(b)側(cè)視圖

圖8(a)給出了模型的電壓駐波比，可以看出測量和計(jì)算的結(jié)果彼此吻合。該天線測量的阻抗帶寬(VSWR≤2)為13 MHz，1.429 ～1.442 GHz；1.435 GHz處測量的右旋圓極化增益，為1.01 dBi。

圖8(b)是該天線在θ=90°和θ=0°方向上的測量和仿真軸比。在工作頻段，軸比小于2.4 dB。

(a)VSWR和增益

(b)AR圖8 測量和計(jì)算的VSWR、增益和AR

圖9給出了1.435 GHz下方位角平面(xy平面)中天線分別在測量和計(jì)算下軸比曲線，測得的軸比小于3 dB，起伏量為1.1 dB。由于加工誤差，測量的軸比和其起伏量都略高于計(jì)算結(jié)果。

圖9 計(jì)算和測量的方位面(θ=90°) 圓極化天線的軸比

圖10是在1.435 GHz處測量和計(jì)算的方位面(xy平面)和俯仰面(xz平面)的天線輻射方向圖。結(jié)果表明天線獲得了全向性。方位面上，右旋圓極化和左旋圓極化之間的電平差大于15 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的右旋全向圓極化輻射。

(a)方位角(xy平面)的天線輻射方向圖

(b)仰角(xz平面)的天線輻射方向圖圖10 1.435 GHz方位角(xy平面)(上)和仰角(xz平 面)(下)平面的計(jì)算和測量輻射方向圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種小型全向圓極化天線。全向圓極化由耦合弧的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，特別是弧中的強(qiáng)耦合可以明顯地減小了天線的尺寸，接著詳細(xì)討論了天線的原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，天線的最終尺寸為0.16λ0×0.16λ0×0.03λ0，遠(yuǎn)小于其他小型全向圓極化天線，可用于小型機(jī)載通信系統(tǒng)。再者，天線的軸比帶寬遠(yuǎn)大于其阻抗帶寬，說明了這種小型化天線具有很大的寬頻帶潛力。