劉耀坤, 劉淑芳, 梁碩毅, 史小衛(wèi)

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710071)

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步,各類通信設(shè)備所處的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜,在有限空間內(nèi)面臨的干擾日益增多。圓極化天線具有可接收任意極化形式的電磁波,且其輻射的電磁波可以被任意極化的天線接收的特點(diǎn)。在通信系統(tǒng)中采用圓極化天線,能夠通過(guò)分析回波信號(hào)的相位相關(guān)性,獲取目標(biāo)的散射極化矩陣,相比采用線極化天線更具優(yōu)勢(shì)。因此圓極化天線在無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、無(wú)線局域網(wǎng)等通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。超寬帶(ultra-wideband,UWB)技術(shù)被認(rèn)為是新一代短距離、低功耗、高數(shù)據(jù)速率無(wú)線通信的理想選擇,它的數(shù)據(jù)傳輸速率可以高達(dá)幾百兆比特,大帶寬的窄脈沖信號(hào)也使精確測(cè)量終端之間的距離成為可能[3]。因此研究超寬帶圓極化天線具有重要的意義。

將超寬帶天線單元進(jìn)行順序旋轉(zhuǎn)組陣是形成超寬帶圓極化天線的常用技術(shù),其中超寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一款適用于八單元順序旋轉(zhuǎn)圓極化天線陣列的超寬帶圓極化饋電網(wǎng)絡(luò),可對(duì)順序旋轉(zhuǎn)天線陣列進(jìn)行饋電,實(shí)現(xiàn)超寬帶圓極化性能。

1 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

八單元陣列天線空間分布如圖1所示。若陣列8個(gè)端口(P1～P8)輸入的信號(hào)等幅且相位按順序依次增加45°,則此天線陣為圓極化陣。饋電網(wǎng)絡(luò)的組成如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)180°功率分配器,2個(gè)3 dB分支線耦合器,4個(gè)威爾金森功分器和4個(gè)45°移相器組成。理想情況下,8個(gè)端口輸出信號(hào)的幅度大小相等,相位按順序超前或滯后45°,依次分別為0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°。

圖1 陣列天線空間分布

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

180°功率分配器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該功率分配器具有金屬層-介質(zhì)層-金屬層的結(jié)構(gòu),頂層為3個(gè)微帶線與扇形相結(jié)合的金屬貼片,底層為金屬地板,地板上開有細(xì)長(zhǎng)矩形與扇形組合成的槽[4]。信號(hào)通過(guò)端口A1輸入,通過(guò)調(diào)整頂層金屬層上的微帶結(jié)構(gòu)與底層地板上縫線之間的耦合,使得A2與A3兩個(gè)端口的輸出信號(hào)等幅,且相位差為180°。采用扇形結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配,從而有效展寬工作頻帶。

圖3 180°功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖

3 dB耦合器結(jié)構(gòu)如圖4所示。該耦合器具有5層結(jié)構(gòu),即金屬層-介質(zhì)層-金屬層-介質(zhì)層-金屬層,其中金屬層結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。頂層金屬層由微帶線與耦合結(jié)構(gòu)連接而成,底層金屬層結(jié)構(gòu)與頂層金屬層結(jié)構(gòu)相同。為了實(shí)現(xiàn)更好的匹配,耦合結(jié)構(gòu)采用一個(gè)中心橢圓結(jié)合兩端小橢圓的形式。中間金屬層作為公共接地板,在其上刻蝕有3個(gè)橢圓組合成的耦合槽,頂層金屬層與底層金屬層通過(guò)該槽實(shí)現(xiàn)電磁能量耦合[5]。信號(hào)從端口B1輸入,通過(guò)中間耦合部分使得端口B2與B3輸出的信號(hào)幅度相等,且B2輸出信號(hào)相位相對(duì)于B3滯后90°,端口B4為隔離端口。

圖4 3 dB耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

超寬帶威爾金森功分器結(jié)構(gòu)如圖5所示。該功分器采用了7節(jié)級(jí)聯(lián)的形式,根據(jù)多節(jié)切比雪夫阻抗變換器的基本原理可得到每一節(jié)微帶線的阻抗值。每節(jié)微帶線的長(zhǎng)度均為所設(shè)計(jì)的功率分配器的中心頻率的四分之一波長(zhǎng),計(jì)算出各節(jié)微帶線的寬度即可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的功分器[6]。功分器每節(jié)之間都并接一個(gè)隔離電阻,合適的隔離電阻確保了各端口之間具有較高的隔離度,從而盡可能減小端口間的相互干擾。信號(hào)從端口C1輸入,可在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)端口C2與C3信號(hào)等幅同相輸出。

圖5 超寬帶威爾金森功分器示意結(jié)構(gòu)圖

45°移相器的結(jié)構(gòu)與3 dB耦合器的結(jié)構(gòu)相似,同樣為金屬層-介質(zhì)層-金屬層-介質(zhì)層-金屬層的5層結(jié)構(gòu),如圖6所示。移相結(jié)構(gòu)由3個(gè)部分組成,頂層金屬層由微帶線、橢圓形貼片與小矩形貼片(調(diào)節(jié)相位平衡)構(gòu)成,中間的公共接地板上開有橢圓形與兩個(gè)小矩形的槽,底層金屬層構(gòu)成與頂層相似[7],如圖6(a)所示。從移相器的端口D1與D3輸入信號(hào),頂層與底層的微帶貼片通過(guò)公共接地層的槽進(jìn)行耦合,使端口D2與D4輸出的信號(hào)幅度相等且相位相差45°。

圖6 45°移相器結(jié)構(gòu)示意圖

2 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真

采用仿真軟件Ansoft HFSS 19.0對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真并優(yōu)化設(shè)計(jì)。180°功率分配器、3 dB耦合器、威爾金森功分器和45°移相器構(gòu)成了圓極化饋電網(wǎng)路,布局如圖7所示。

圖7 饋電網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)圖

選用聚四氟乙烯玻璃布板作為介質(zhì)層,其損耗角正切值為0.000 9,相對(duì)介電常數(shù)為2.65,基板厚度為0.5 mm。信號(hào)由端口P0輸入饋電網(wǎng)絡(luò),從端口P1～P8輸出。當(dāng)輸入端口激勵(lì)時(shí),饋電網(wǎng)絡(luò)的回波損耗|S00|的仿真結(jié)果如圖8所示。以端口P1的輸出信號(hào)作為參考,比較各個(gè)端口輸出信號(hào)傳輸系數(shù)及相位的一致性,仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖8 |S00|仿真結(jié)果

圖9 各端口傳輸系數(shù)仿真結(jié)果

圖10 各端口輸出相位仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)輸入端口激勵(lì)時(shí),饋電網(wǎng)絡(luò)的|S00|在(3.9～10.1)GHz頻帶內(nèi)小于-11.7 dB,具有良好的匹配特性,插入損耗小于3.1 dB并且8個(gè)輸出端口的幅度起伏小于1.4 dB,相位差在±4.4°以內(nèi)。

3 饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)物測(cè)試

根據(jù)電路圖進(jìn)行投版加工,介質(zhì)板選用聚四氟乙烯玻璃布板,介電常數(shù)為2.65,基板厚度為0.5 mm,微帶線覆銅的厚度為0.035 mm,得到的實(shí)物元件如圖11～圖13所示。

圖11 180°功率分配器實(shí)物圖

圖12 3 dB耦合器實(shí)物圖

圖13 超寬帶威爾金森功分器與45°移相器組合實(shí)物圖

將各個(gè)元件級(jí)聯(lián)后采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試,得到饋電網(wǎng)絡(luò)的|S00|及各個(gè)端口的傳輸系數(shù)和相位并作數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖14～圖16所示。

圖14 |S00|實(shí)測(cè)結(jié)果

圖15 各端口傳輸系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖16 各端口輸出相位實(shí)測(cè)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出,當(dāng)輸入端口激勵(lì)時(shí),饋電網(wǎng)絡(luò)的|S00|在(3.9～10.1)GHz頻帶內(nèi)小于-11.3 dB,具有良好的匹配性。在整體頻段內(nèi),插入損耗小于3.2 d B,8個(gè)輸出端口的幅度起伏小于2.33 dB,相位差在±7.3°以內(nèi)。由于加工精度與電阻焊接工藝的原因,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定差距,但是該網(wǎng)絡(luò)仍具有幅相特性良好的優(yōu)點(diǎn),滿足激勵(lì)八單元陣列天線產(chǎn)生圓極化的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用180°功率分配器、3 dB耦合器、威爾金森功分器與45°移相器,構(gòu)建了一種超寬帶順序相移饋電網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果表明,在(3.9～10.1)GHz的頻帶內(nèi),饋電網(wǎng)絡(luò)的回波損耗、傳輸系數(shù)及相位特性良好,可以較好地滿足順序旋轉(zhuǎn)饋電的要求。