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        一種基于氧化鋯陶瓷的寬帶圓極化雙環(huán)天線

        2023-01-12 13:28:40王詩(shī)言景為鑒李涵玥華依琳
        空間電子技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:軸比單環(huán)圓極化

        鄭 聞,王詩(shī)言,范 飛,景為鑒,李涵玥,華依琳,李 銀

        (1.南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南京 210046;2.鵬城實(shí)驗(yàn)室 寬帶通信研究部,深圳 518052)

        0 引言

        環(huán)天線作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的經(jīng)典天線,目前已被廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)合。其中,一種圓極化環(huán)天線因能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的軸比帶寬而得到廣泛關(guān)注。現(xiàn)已證實(shí):通過在長(zhǎng)度超過一個(gè)波長(zhǎng)的電大環(huán)末端加載集總電抗元件或構(gòu)造非閉合環(huán),即引入間隙,均能使環(huán)天線工作于行波狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化輻射[1-3]。例如:文獻(xiàn)[1]提出了一種帶有間隙的寬帶非閉合菱形環(huán)天線,并研究了間隙的寬度和位置對(duì)圓極化特性的影響;文獻(xiàn)[2]從理論上驗(yàn)證了電抗加載圓極化環(huán)天線上均勻的行波式電流分布;文獻(xiàn)[3]將非閉合菱形環(huán)天線拓展為天線陣以提高增益。此外,寄生環(huán)以及并聯(lián)饋電的多環(huán)結(jié)構(gòu)也相繼被提出,以實(shí)現(xiàn)更寬的軸比帶寬[4-5]。

        近年來,隨著射頻系統(tǒng)工作頻率的不斷提高,金屬材料帶來的導(dǎo)體損耗增大,這使得天線輻射效率降低,信號(hào)覆蓋范圍縮小,制約了金屬天線在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。在此背景下,不受導(dǎo)體損耗影響的介質(zhì)天線引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。各式各樣的介質(zhì)天線,如介質(zhì)諧振器天線(DRA)[6-7]和介質(zhì)棒天線[8]得到了報(bào)道。其中,一種基于高介電常數(shù)介質(zhì)波導(dǎo)高次模輻射的行波介質(zhì)天線被提出,以簡(jiǎn)化激勵(lì)方式并實(shí)現(xiàn)寬帶特性[9-13]。作為兩種典型的高介電常數(shù)材料,水和氧化鋯陶瓷被用于制作此類天線。文獻(xiàn)[9-10]分別提出了純水V型天線和倒L型天線。文獻(xiàn)[11-13]分別提出了氧化鋯陶瓷三維螺旋天線、倒L型天線和阿基米德螺旋天線。

        蓬勃發(fā)展的增材制造技術(shù)(三維打印技術(shù))給加工高介電常數(shù)材料提供了極大的便利。借助陶瓷光固化工藝,各式各樣的陶瓷結(jié)構(gòu)件能夠被以極高的精度塑形。目前,低損耗的陶瓷材料,如:氧化鋯陶瓷粉末(εr=32,tanδ=0.002)已被應(yīng)用于構(gòu)建各類射頻器件,如濾波器[14],天線等[11-13],[15-16]。

        本文基于高介電常數(shù)介質(zhì)波導(dǎo)在其高次模截止區(qū)的行波輻射以及陶瓷三維打印技術(shù),提出了一種寬帶圓極化雙環(huán)介質(zhì)天線。相比于同樣是工作于行波模式的金屬寬帶圓極化環(huán)天線,該介質(zhì)天線的漏波輻射更易產(chǎn)生。探究了介質(zhì)波導(dǎo)的輻射機(jī)理,并從線極化輻射的倒L型氧化鋯陶瓷天線出發(fā),將其彎折成單環(huán)以實(shí)現(xiàn)圓極化,再由單環(huán)結(jié)構(gòu)拓展為雙環(huán),從而展寬天線的工作帶寬。通過對(duì)比單環(huán)與雙環(huán)介質(zhì)天線可以發(fā)現(xiàn),雙環(huán)結(jié)構(gòu)的軸比帶寬大約是單環(huán)的3倍。

        1 天線設(shè)計(jì)

        1.1 天線結(jié)構(gòu)

        圖1展示了基于氧化鋯陶瓷的寬帶圓極化雙環(huán)天線的俯視圖和立體圖。該天線由金屬地板、同軸探針以及兩個(gè)串聯(lián)的圓介質(zhì)環(huán)構(gòu)成。其中,金屬地板的半徑為rg;兩個(gè)圓環(huán)的半徑分別為rc1、rc2,角度分別為θ1、θ2。圓介質(zhì)波導(dǎo)的截面半徑為rc,其末端彎折向地板以作為支撐,并與探針相連,長(zhǎng)度為h。探針伸出地面的高度為hp。

        圖1 寬帶圓極化雙環(huán)陶瓷天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of the wideband circularly polarized dual-loop ceramic antenna

        1.2 工作原理

        本文提出了一種工作于高介電常數(shù)介質(zhì)波導(dǎo)高次模截止區(qū)的氧化鋯陶瓷雙環(huán)天線,其工作機(jī)理與文獻(xiàn)[9-13]中的天線一致。已知金屬波導(dǎo)與介質(zhì)波導(dǎo)有著不同的截止條件。金屬波導(dǎo)截止時(shí)(β≤0),能量無法繼續(xù)沿著波導(dǎo)傳播,并快速衰減;介質(zhì)波導(dǎo)是開放結(jié)構(gòu),當(dāng)其處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),能量向外泄露輻射到空氣中,使得沿波導(dǎo)方向沒有能量傳播。介質(zhì)波導(dǎo)的截止條件為:

        β≤k0

        (1)

        此時(shí),可以把工作于截止?fàn)顟B(tài)的介質(zhì)波導(dǎo)設(shè)計(jì)成天線。

        由于圓介質(zhì)波導(dǎo)的基模HE11不存在截止?fàn)顟B(tài),因此需要激勵(lì)其高次模。本文使用同軸探針激勵(lì)出圓介質(zhì)波導(dǎo)高次模之一的TM01,其截止區(qū)和傳輸區(qū)的工作頻率fc、fτ滿足[17]:

        (2)

        其中c表示電磁波在自由空間中的傳輸速度,εr和1分別表示介質(zhì)和空氣的相對(duì)介電常數(shù),d表示圓介質(zhì)波導(dǎo)的截面直徑。由公式(2)可知,介質(zhì)波導(dǎo)的工作頻率主要取決于其截面尺寸和介電常數(shù)。

        圖2提取了工作于TM01模的長(zhǎng)介質(zhì)波導(dǎo)中電磁波的歸一化衰減常數(shù)(α/k0)和相位常數(shù)(β/k0)。可以觀察到,在截止區(qū),β/k0的值小于1,此時(shí)介質(zhì)波導(dǎo)工作于快波狀態(tài);隨著工作頻率的升高,介質(zhì)波導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏斈芰康穆ㄏ到y(tǒng)。

        圖2 工作于TM01模的長(zhǎng)介質(zhì)波導(dǎo)中電磁波的歸一化衰減常數(shù)α/k0和相位常數(shù)β/k0Fig.2 Normalized leakage constant (α/k0) and phase constant (β/k0) of the EM waves in the long dielectric waveguide operating at TM01 mode

        為了在該雙環(huán)介質(zhì)天線中驗(yàn)證上述輻射機(jī)理,圖3中使用ANSYS HFSS 2020軟件繪制了該天線工作于4.5GHz時(shí)介質(zhì)波導(dǎo)中的電場(chǎng)分布??梢钥吹?,波導(dǎo)中的能量逐漸減弱。這說明電磁波沿著圓環(huán)逐漸泄漏到了空氣中,與上述分析一致。

        圖3 雙環(huán)天線工作于4.5GHz時(shí)介質(zhì)波導(dǎo)中的電場(chǎng)分布Fig.3 Electric-field distribution in dielectric waveguide when the dual-loop antenna works at 4.5GHz

        1.3 設(shè)計(jì)過程和參數(shù)分析

        圖4展示了該雙環(huán)天線的設(shè)計(jì)過程,即結(jié)構(gòu)的演化過程。其結(jié)構(gòu)源于文獻(xiàn)[12]中的倒L陶瓷天線,該天線能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶的線極化輻射。接下來,將倒L結(jié)構(gòu)彎折成環(huán),使得輻射出去的電磁波由線極化轉(zhuǎn)變?yōu)閳A極化。進(jìn)一步,把單環(huán)結(jié)構(gòu)拓展為雙環(huán),從而展寬天線的圓極化帶寬。單環(huán)、雙環(huán)天線的具體參數(shù)如表1所列。

        圖4 雙環(huán)天線設(shè)計(jì)過程Fig.4 Design process of the dual-loop antenna

        表1 天線參數(shù)Tab.1 Antenna parameters

        基于前文的工作原理分析,雙環(huán)天線的設(shè)計(jì)過程總結(jié)如下:

        1)根據(jù)天線的工作頻率與式(2),確定介質(zhì)波導(dǎo)的截面尺寸,文獻(xiàn)[12]詳細(xì)地研究了介質(zhì)波導(dǎo)截面直徑的變化對(duì)其輻射的影響;

        2)為了獲得圓極化輻射,將介質(zhì)波導(dǎo)彎折成環(huán)狀,根據(jù)天線的工作頻率確定圓環(huán)的半徑和角度(圓環(huán)的周長(zhǎng)應(yīng)超過一個(gè)波長(zhǎng));

        3)在單環(huán)天線已經(jīng)產(chǎn)生圓極化輻射的基礎(chǔ)上,將單環(huán)天線擴(kuò)展成雙環(huán),考慮到環(huán)的角度對(duì)圓極化性能的影響,需要對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行最終的優(yōu)化與調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)所需的寬帶特性。

        圖5展示了不同的θ2對(duì)雙環(huán)天線軸比的影響??梢钥吹?,由于第一個(gè)環(huán)的角度沒有發(fā)生變化,因此低頻的軸比特性未發(fā)生明顯偏移;而隨著θ2的增加,天線也趨近于完整的雙環(huán),天線的軸比逐漸降低,高頻處軸比特性也在向著低頻偏移,并最終形成寬帶特性。為了避免第二個(gè)環(huán)成為閉環(huán),θ2最終選擇為240°。

        圖5 雙環(huán)天線中圓環(huán)2不同角度θ2時(shí)的軸比Fig.5 Axial ratios (ARs) of the dual-loop antenna under different values of θ2 of the loop 2

        圖6所示為倒L、單環(huán)與雙環(huán)天線的反射系數(shù)??梢钥吹?,三者都具有很寬的阻抗帶寬,符合行波天線的特征,與之前的分析一致。

        圖6 倒L、單環(huán)與雙環(huán)天線的反射系數(shù)Fig.6 Reflection coefficients of inverted-L, single-loop and dual-loop antennas

        1.4 性能對(duì)比

        本小節(jié)對(duì)比了單環(huán)天線與雙環(huán)天線的阻抗和輻射特性,具體內(nèi)容如下:

        1)阻抗特性

        單環(huán)與雙環(huán)天線的反射系數(shù)已在圖6中展示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn),二者的阻抗特性相差不大。也就是說,將單環(huán)拓展為雙環(huán),對(duì)阻抗特性的影響較小,這也從側(cè)面證實(shí)了其工作頻率取決于截面。

        2)輻射特性

        圖7和圖8分別對(duì)比了單環(huán)天線與雙環(huán)天線的軸比和圓極化增益。從圖中可以看出,雙環(huán)天線的軸比帶寬大約是單環(huán)天線的3倍,且兩天線都在工作頻段內(nèi)具有良好的右旋圓極化增益。兩天線的圓極化方向主要取決于圓環(huán)的旋向。此外,雙環(huán)天線的最大增益也要比單環(huán)天線稍高一些。

        綜上所述,通過將陶瓷單環(huán)天線擴(kuò)展成雙環(huán),能夠在不影響阻抗匹配的情況下,有效拓寬天線的軸比帶寬,從而實(shí)現(xiàn)更大的頻率覆蓋。

        圖7 單環(huán)與雙環(huán)天線的軸比Fig.7 ARs of single-loop and dual-loop antennas

        圖8 單環(huán)與雙環(huán)天線的右旋圓極化增益Fig.8 Right-handed circular polarization (RHCP) radiation gains of single-loop and dual-loop antennas

        2 天線加工與測(cè)試

        采用陶瓷3D打印技術(shù)制作的氧化鋯陶瓷雙環(huán)與組裝后的天線如圖9所示。其中,金屬地板由2 mm厚的鋁合金板構(gòu)成。借助3D打印陶瓷光固化工藝,可以精確地制造出復(fù)雜的環(huán)結(jié)構(gòu);且打印得到的氧化鋯陶瓷純度可達(dá)99%,即整體結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)與損耗角正切值的誤差均在1%以內(nèi)。其中,陶瓷光固化工藝是建立在光固化工藝的基礎(chǔ)上,為高介電常數(shù)陶瓷開發(fā)的三維打印技術(shù)。其具體過程為:先將陶瓷粉末混入液態(tài)光敏材料中,通過使用紫外線照射得到陶瓷與光敏樹脂的混合物;經(jīng)過化學(xué)腐蝕、高溫煅燒等后處理工藝,混合物中的樹脂成分以及不需要的支撐結(jié)構(gòu)被去除,以達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸[18]。

        圖9 雙環(huán)天線加工實(shí)物圖Fig.9 Fabricated dual-loop antenna

        利用天線近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)加工的天線進(jìn)行了測(cè)試。圖10展示了雙環(huán)天線測(cè)試與仿真的反射系數(shù)??梢杂^察到:仿真的天線反射系數(shù)從3.74GHz開始,一直小于-10dB;而相較于仿真結(jié)果,測(cè)試得到的天線工作頻帶向高頻偏移,直到4.08GHz才開始小于-10dB。該偏差主要跟加工過程中高溫煅燒引起氧化鋯陶瓷結(jié)構(gòu)收縮形成的誤差有關(guān)。

        圖10 雙環(huán)天線仿真與測(cè)試的反射系數(shù)Fig.10 Simulated and measured reflection coefficients of the fabricated dual-loop antenna

        圖11和圖12分別展示了雙環(huán)天線的軸比以及右旋圓極化增益的測(cè)試與仿真結(jié)果??梢钥闯觯瑴y(cè)試、仿真曲線基本吻合。相比仿真結(jié)果,測(cè)試得到的軸比曲線略微向高頻偏移,右旋圓極化增益略低于仿真數(shù)值。其中,測(cè)得的軸比帶寬為3.94~5.1GHz,最大增益為8.6dBic,3dB增益帶寬為3.94~5.42GHz。

        圖11 雙環(huán)天線仿真與測(cè)試的軸比Fig.11 Simulated and measured ARs of the fabricated dual-loop antenna

        圖12 雙環(huán)天線仿真與測(cè)試的右旋圓極化增益Fig.12 Simulated and measured RHCP radiation gains of the fabricated dual-loop antenna

        圖13展示了雙環(huán)天線在4.5GHz時(shí)仿真與測(cè)試的歸一化方向圖。可以看出,yoz面主極化和交叉極化的仿真與測(cè)試結(jié)果比較吻合,xoz面主極化稍有偏差。該天線的主極化和交叉極化分別為右旋圓極化和左旋圓極化。 圓極化旋向由環(huán)的彎曲方向決定。

        圖13 雙環(huán)天線在4.5 GHz時(shí)仿真與測(cè)試的歸一化方向圖Fig.13 Simulated and measured normalized radiation patterns of the fabricated dual-loop antenna operating at 4.5GHz

        3 結(jié)論

        本文提出了一種寬帶圓極化的氧化鋯陶瓷雙環(huán)天線。基于高介電常數(shù)介質(zhì)波導(dǎo)在其高次模截止區(qū)的漏波輻射機(jī)理,將線極化的陶瓷倒L天線彎折成環(huán)以實(shí)現(xiàn)圓極化輻射,并通過把單環(huán)擴(kuò)展成雙環(huán),在不影響阻抗匹配的情況下,將天線的軸比帶寬拓寬為原本的3倍,實(shí)現(xiàn)了更大的頻率覆蓋。同時(shí),借助先進(jìn)的3D打印工藝,成功制造了該陶瓷雙環(huán)天線。最終實(shí)測(cè)的天線軸比帶寬為3.94~5.1GHz,最大增益為8.6dBic。

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