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        采用L 型饋電結(jié)構(gòu)的寬帶圓極化微帶天線

        2022-06-02 15:14:32盧佳妮丁付兵司貴寶韓榮蒼孫如英
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年14期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        盧佳妮,丁付兵,司貴寶,韓榮蒼,孫如英

        (臨沂大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,山東 臨沂 276000)

        1 研究背景及意義

        無線通信技術(shù)快速發(fā)展,各種通信制式應(yīng)運(yùn)而生,在無線終端設(shè)備上常常需要支持不同的通信協(xié)議。為降低硬件成本,能夠兼容多個工作頻段的寬帶天線很受青睞。在電磁干擾中為同時執(zhí)行雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信的電子功能,要求天線能夠覆蓋各種無線電頻段。因此,設(shè)計寬頻帶圓極化微帶天線具有重要的意義。圓極化(Circular-Polarization,CP)波在無線通信中也比線極化波更有優(yōu)勢[1]。首先,圓極化波可由任意極化天線接收;其次,圓極化波入射到對稱目標(biāo)上極化旋向發(fā)生逆轉(zhuǎn),因此在無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航時能抑制雨霧干擾,并且具有更好的抗多徑反射[1]性能。所以,在無線通信系統(tǒng)中寬頻帶圓極化天線往往更受關(guān)注。

        對于圓極化微帶天線,實(shí)現(xiàn)寬頻帶的天線結(jié)構(gòu)基本上分為3 種:寬縫隙結(jié)構(gòu)[2-3]、單極子結(jié)構(gòu)[4-5]和貼片結(jié)構(gòu)[6-7]。后2 種結(jié)構(gòu)屬于雙向輻射天線,天線增益受到結(jié)構(gòu)的先天限制,不易實(shí)現(xiàn)高增益。本文采用單向輻射的貼片結(jié)構(gòu)。在這類天線中實(shí)現(xiàn)圓極化的方案基本分為2 類,一類是單點(diǎn)饋電型,一類是多點(diǎn)饋電型[8]。單點(diǎn)饋電型圓極化微帶貼片天線的饋電網(wǎng)絡(luò)往往比較簡單,要實(shí)現(xiàn)寬帶工作特性,一般采用多層堆疊結(jié)構(gòu)。但這類天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多,貼片的層數(shù)、尺寸和各層介質(zhì)的厚度都是影響天線性能的關(guān)鍵指標(biāo),設(shè)計復(fù)雜度高。對于多點(diǎn)饋電型圓極化微帶天線,饋電網(wǎng)絡(luò)往往采用正交耦合器,容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶設(shè)計。本文采用的饋電網(wǎng)絡(luò)采用威爾金森功分器,其帶寬接近100%,完全滿足一般寬帶功率分配的需要;但是常規(guī)的差分線移相器帶寬受限于均勻傳輸線對頻率的依賴性,一般在10%左右,與威爾金森功分器的帶寬很不匹配。

        本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計了一款寬帶移相器,并與功率分配器相級聯(lián)構(gòu)成了一套寬帶正交耦合器。在饋電機(jī)制上,采用L 型饋電結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)引入容性耦合饋電機(jī)制,克服了傳統(tǒng)的探針饋電結(jié)構(gòu)感抗過大的缺陷,實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。研究結(jié)果表明,該天線的阻抗帶寬達(dá)到41.3%,軸比帶寬達(dá)到了41%。

        2 天線的結(jié)構(gòu)

        提出的圓極化寬帶微帶天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示,(a)為俯視圖,(b)為側(cè)視圖。該天線使用了三層高頻介質(zhì)板,具體結(jié)構(gòu)如下:饋電網(wǎng)絡(luò)位于最下層介質(zhì)板上,其長×寬=75×75 mm2,兩輸出端口分別在正交的位置連接一套L 型饋電結(jié)構(gòu),饋電結(jié)構(gòu)的水平部分放置在第二層介質(zhì)板上,正方形輻射貼片置于頂層介質(zhì)板上。第一、二層介質(zhì)基板采用F4B-2 型高頻介質(zhì)板,其相對介電常數(shù)εr=2.65,損耗角正切tanδ=0.003,厚度均為1 mm。頂層采用FR-4 型介質(zhì)板,其相對介電常數(shù)εr=4.4,損耗角正切tanδ=0.02,厚度t3=0.8 mm。介質(zhì)板之間的距離分別為h1=8 mm,h2=4 mm。

        圖1 天線幾何結(jié)構(gòu)圖

        天線的饋電網(wǎng)絡(luò)由兩部分構(gòu)成,一是采用1/4 波長傳輸線作為匹配器的威爾金森功分器,一是一個寬帶差分移相器。移相器的主通路是一個H 型多模諧振器,其兩端并聯(lián)有一對1/8 波長開路線和一對1/8 波長短路線,中間是一條半波長均勻傳輸線。該移相器在55%的工作帶寬(S11<-15 dB)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)90°移相[2],相位偏差僅3°。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        采用ANSYS HFSS15.0 對天線進(jìn)行了全波仿真和優(yōu)化,仿真優(yōu)化后的天線各參數(shù)的值見表1。衡量天線的主要技術(shù)指標(biāo)呈現(xiàn)如下。在阻抗匹配方面,反射系數(shù)S11的仿真結(jié)果如圖2 所示,在2.45~3.69 GHz 范圍內(nèi),S11的值均小于-10 dB,阻抗帶寬達(dá)到41.3%。

        圖2 S11 隨頻率的變化關(guān)系

        表1 天線各參數(shù)的尺寸 單位:mm

        如圖3 所示,該天線實(shí)現(xiàn)了較寬的圓極化軸比帶寬,從2.46 GHz 到3.69 GHz 頻段內(nèi)的3 dB 的軸比帶寬為41%,體現(xiàn)了較良好的圓極化輻射特性。天線增益隨頻率的變化關(guān)系如圖4 所示,增益>3 dBi 覆蓋頻段大于阻抗匹配和軸比帶寬,具有典型的高增益天線特征,該天線在通帶內(nèi)的最大增益達(dá)到了7.96 dBi(3.05 GHz)。

        圖3 天線的軸比隨頻率的變化關(guān)系

        圖4 天線增益隨頻率的變化關(guān)系

        天線在中心頻率3.0 GHz 的輻射方向圖的仿真結(jié)果如圖5 所示。圖中分別畫出了天線在兩個正交面xoz與yoz 面方向圖。結(jié)果顯示該天線在+z 方向上輻射LHCP(左旋圓極化)波,高于其交叉極化RHCP(右旋圓極化)波20 dB 以上。

        圖5 3.0 GHz 處天線的輻射方向圖

        為了考察天線輻射場的寬帶特性,我們給出了2.5 GHz 和3.6 GHz 處輻射方向圖,分別如圖6 和圖7 所示,其在主輻射方向上均保持較好的圓極化輻射特性。

        圖6 2.5 GHz 處天線的輻射方向圖

        圖7 3.6 GHz 處天線的輻射方向圖

        4 結(jié)論

        本文設(shè)計的左旋圓極化微帶天線,其工作帶寬覆蓋2.46 GHz 至3.69 GHz 頻段,綜合阻抗匹配、軸比特性和增益等主要指標(biāo),其相對帶寬超過40%,在寬帶無線通信系統(tǒng)具有很大的工程應(yīng)用價值。

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