5.8 GHz高增益圆极化方形四环天线的研究

杨 倩 张小苗 白 雪 李晋阳

(西安电子科技大学天线与微波技术国防科技重点实验室,陕西西安710071)

1.引 言

圆极化天线可接收任意极化的来波,圆极化天线辐射波也可被任意极化的天线接收到。随着通信技术的发展,对高性能的圆极化天线要求也越来越高。常用的圆极化天线通常采用螺旋天线、微带天线形式[1-12],与螺旋天线相比较,微带天线结构简单、成本低、所需空间小。但微带天线频带窄,增益低。采用环天线形式实现圆极化,而环天线一直被用来实现线极化。直到80年代,通过在环天线恰当的位置开口或引入枝节[4-11],可以使其产生圆极化。常使用的环天线形式有圆形、方形、菱形,以及三角形等各种形状。

在无线电通信应用中,需要结构简单成本低的高增益圆极化天线。对双环天线结构,使用四元阵[5]可使增益提高到14.6 dB,或使用腔型地板加子反射板[6],使增益提高到11 dB。或在双环的基础上在两端串馈两个双环即形成四环,使增益增加到12.7 dB[8]。这些都使天线结构复杂,需要的空间大,成本高。提出一种新的形式,结构由双环变为四环,使天线增益提高到12.2 dB,既不需要复杂的地板,也不需要排阵。设计的天线工作在5.8 GHz ISM 频带(5.725～5.875 GHz)内,首先将四环天线与双环天线进行仿真比较,分析四环天线的性能,最后给出实测结果。

2.天线设计

如图1(a)所示双环天线,由两个方形环组成,采用串馈型馈电形式。为使其辐射圆极化波,将开口取到馈电点处,形成倒S型使环上电流分布发生变化[7]。该双环天线印刷在距地板高h的介质板底面,这样可容易的与巴伦进行连接。优化缺口大小,形成左旋圆极化天线。将辐射贴片绕y轴旋转180度可容易地将左旋圆极化改成右旋圆极化。

在左旋圆极化方形双环的基础上加入新的左旋圆极化方形双环,形成四环天线,如图1(b)所示。两个方形双环天线尺寸不同,开口仍取在馈电点处。相邻两个大小不同的方形环并馈,与双环比较,可增大电流分布。然后与奇对称的另两个方形环串馈,整体四环电流分布形成左旋圆极化。由于电流幅度增加,所以提高了天线的增益。辐射贴片仍印刷在距地板高度为h的介质板背面。仿真优化四环天线各个参数,使其形成左旋圆极化。

在天线设计中,双环天线、四环天线和巴伦选取相同介质板。介质基板材料厚度1.5 mm,相对介电常数地板均为半径90 mm的圆形铜片。

仿真优化天线具体尺寸：双环天线边长a=14.9 mm,线宽 d=0.8 mm,间距 w=1.5 mm,缺口ds=1.0 mm,高度h=13.2 mm。四环天线边长a1=21.0 mm,a2=18.5 mm,线宽d=1.2 mm。间距w1=3.4 mm,w2=1.8 mm,缺口 ds1=4.1 mm,ds2=1.8 mm,高度h=13.2 mm。

选取宽带渐变巴伦并引入匹配枝节,巴伦的底部与50欧姆的同轴线相匹配连接,顶部组成平行双线与天线相连接。巴伦背面模拟地板,正面渐变线进行阻抗变换。通过调节巴伦渐变线的长度、匹配枝节的位置大小进行阻抗匹配。巴伦模型如图2所示,具体尺寸 b1=1.5 mm,b2=4.5 mm,b3=20 mm,b4=4 mm,h1=4.5 mm,h2=0.6 mm,h3=10 mm。

图2 巴伦结构

3. 仿真与实测结果

使用软件Ansoft HFSS进行仿真,在仿真过程中,缺口大小和双环间距对轴比影响较大。相邻双环间距增加,主极化副瓣升高,增益变低,轴比也变差;间距变小,交叉极化升高,轴比变差。高度h对增益影响较大,高度降低增益变高,高度升高增益降低。高度h也对轴比有影响,但影响较小。方形环的边长影响谐振频率,边长变大,频带向低频偏移,边长变小,频带向高频偏移。线宽d对轴比也有影响,影响较小,对阻抗影响较大。环间距w1和w2对阻抗影响很大。

经优化后的仿真双环天线和四环天线增益方向图在φ=0°和φ=90°两个面相似并且对称。在5.65～5.9 GHz频段内各个频点增益方向图没有明显变化,如图3所示仅给出 φ=0°面中心频率5.8 GHz的仿真增益方向图。

图3 四环与双环天线增益方向图在φ=0°面比较

四环天线增益确实与设计相符,提高2 dB。波束宽度比双环天线窄,在中心频点5.8 GHz处,半功率波束宽度由双环天线的60°降低到四环天线的40°。四环天线交叉极化分量与双环天线相比变差,因为邻近并馈双环间电流分布相互影响,增加了交叉极化分量。

轴比带宽(AR＜3 dB)如图4所示由双环天线的17%降到四环天线的3.8%,这主要由相邻边间的电流耦合影响。双环天线增益在5.3～6.3 GHz频段内均约为9.9 dB。四环天线增益在5.65～5.9 GHz频段内从11.3 dB升高到12.4 dB,增益平均提高2 dB。而天线尺寸和地板尺寸都没有增加,在实际应用中可以减少天线阵列的单元数,减小馈电网络的复杂性。

天线实物如图5所示,辐射单元印刷在介质板背面,分别与巴伦顶部双线正面和背面进行焊接。巴伦底部正面与50欧姆SMA内芯、背面和地板进行焊接。在焊接中,要保证天线、巴伦和地板三者两两垂直。

驻波测试使用Agilent E8363B矢量网络分析仪,实测电压驻波比(VSWR)结果与仿真结果如图6所示。测试结果与仿真结果吻合较好,在所需5.65～5.9 GHz频段内均小于2,实现了阻抗匹配。由图6可见,所采用的渐变巴伦为宽带巴伦,在频段5.2～6.2 GHz内均小于2,实测结果向低频偏移,这主要是因为实际介质的相对介电常数与仿真的有偏差。

图6 驻波仿真和实测结果对比

在中心频点5.8 GHz测试了该四环天线实物的方向图。天线测试方向图如图7所示,与图3比较可见仿真与实测吻合较好。只是交叉极化误差较大,主极化后瓣测试结果较高。主要由测试标准天线的误差和测试环境测试过程的影响产生。

图7 四环天线测试方向图

4.结 论

通过改进双环天线,提出了新型方形四环天线结构。并将双环天线与四环天线进行仿真比较,优化天线各个参数,使得仿真结果满足设计要求,增益平均提高2 dB。并制作了工作ISM5.8 GHz频段(5.725～5.875 GHz)的左手圆极化四环天线。使用宽频带渐变巴伦进行阻抗变换,驻波带宽(VSWR＜2)大于18%,实现了阻抗匹配。在5.725～5.875 GHz内平均增益为12.2 dB,与双环天线相比,提高了天线增益。

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