一种C波段层叠结构宽带圆极化天线的设计*

姜 兴, 韦 佳, 童惠祺

(桂林电子科技大学信息与通信学院, 广西桂林 541004)

一种C波段层叠结构宽带圆极化天线的设计*

姜 兴, 韦 佳, 童惠祺

(桂林电子科技大学信息与通信学院, 广西桂林 541004)

为了满足C波段宽带通信的需求,设计一种缝隙耦合层叠结构的宽带高增益圆极化微带天线。采用双层切角的辐射贴片实现圆极化,并扩展天线的带宽;使馈线偏离介质板的中心,改善天线的轴比特性;采用金属反射板实现天线的定向辐射,并提高增益。天线实测结果表明,-10 dB阻抗带宽达到32.2%(4.17～5.76 GHz),3 dB轴比带宽达到20.2%(4.25～5.25 GHz),天线增益在轴比带宽范围内大于8.5 dB。该天线实现了宽频带、高增益等特性,适合应用于C波段宽带通信。

天线;圆极化;宽带;高增益;切角

0 引言

随着C波段无线通讯技术的快速发展,人们对宽带通信的需求越来越高,天线向宽带、高增益的方向发展已成为通信体制的必然趋势。由于圆极化微带天线具有辐射效率高、抗干扰能力强等一系列的特点,在卫星通讯、指挥及控制系统、电子对抗、GPS等众多军民领域中得以广泛的应用[1]。而传统的微带天线工作带宽窄、增益低。因此,对宽带高增益圆极化微带天线研究具有重要意义。

在扩展圆极化天线带宽、增益方面的研究有很多,且成果丰富。如文献[2]利用在贴片上刻蚀特殊结构展宽天线频带,实现4%的轴比带宽和8.5%的阻抗带宽及3.4 dB的最大天线增益。文献[3]采用双馈点对圆形微带贴片进行馈电,虽已实现了C波段的宽带圆极化,但对增益未提出具体的要求。文献[4]提出一种S波段的宽带圆极化天线,实现了53%的轴比带宽,但天线的最大增益才达到8 dBic。文献[5]的圆极化天线采用U形槽结构拓展天线的阻抗带宽,实现了大于15.2%的阻抗带宽,但轴比带宽仅为3.2%,且天线增益为4.5 dB。而文献[6]利用切角的辐射贴片来实现圆极化,天线单元实现了20%的阻抗带宽和3.2%的轴比带宽,但需通过顺序旋转技术,将天线单元组成阵列,才分别获得25%的阻抗带宽和17%的轴比带宽。

文中设计了一种基于矩形宽缝耦合的C波段圆极化层叠结构微带天线,采用HFSS 13软件对天线单元进行了仿真优化,并分析对天线轴比特性的影响较大的几个主要参数,最终确定天线的尺寸,并加工测试。

1 天线结构分析

1.1 天线结构

天线结构如图1所示。该天线主要由双层金属贴片、开矩形宽缝的金属地板、微带馈线和金属反射板构成,如图1(a)所示。图1(b)与图1(c)所示的是宽为W1的方形辐射贴片1和宽为W2的方形辐射贴片2,其分别印制在介电常数εr为2.65,厚度为1 mm的F4B-2介质板上。辐射贴片1位于介质基板的上表面,而辐射贴片2位于介质基板的下表面,倒置的介质板起天线罩的作用。通过调整两贴片尺寸以及耦合间距,达到展宽频带的目的。对两贴片进行切角,激励起两个正交简并模,实现圆极化辐射。图1(d)为天线的馈电层,尺寸为LT×WT的宽缝金属地板与LF×WF的微带馈线分别刻蚀在第三层介质板的上下表面,其中馈线偏移介质板中心的距离为Ly,调整馈线位置可改善天线的轴比性能。调整贴片尺寸、缝隙的尺寸、馈线尺寸等来改善天线的阻抗匹配特性。在介质板下表面大约四分之一波长距离处添置金属反射板实现天线的定向辐射并提高增益。

1.2 天线等效电路模型

根据口径耦合技术理论分析[7],缝隙耦合微带天线的等效电路如图2所示,其对应缝隙结构如图1(d)所示。微带馈线通过LT×WT的缝隙来对贴片耦合馈电,而缝隙尺寸决定馈线与贴片间的耦合程度。

等效电路中,两层贴片相对于矩形缝隙中心的输入导纳可用Ypatch表示。Lm为终端开路的匹配枝节长度。ΔV为微带线上有缝隙引入的模电压变化量,V0为缝隙电压。

(1)

式中:Et为缝隙电场;hf为微带线的归一化磁场;St为缝隙面积。

天线的输入阻抗为Zin,即:

(2)

Yap=-j2Y0scot(βsLT/2)

(3)

2 天线参数分析及优化结果

由上述宽缝耦合结构几何关系及对应等效电路分析可知,天线谐振频率主要受贴片尺寸、缝隙尺寸的影响。该天线利用双层辐射贴片在C波段内(4.2～5.8 GHz)产生两个谐振频点,通过调节两贴片的尺寸及耦合间距,达到拓宽天线的阻抗带宽的目的。天线的轴比带宽主要取决于贴片的切角面积的大小及馈线偏移位置。

谐振频率随贴片尺寸变化曲线如图3、图4所示,低频谐振频率主要受上层辐射贴片的影响,当增大上层贴片2的尺寸W2,天线的谐振点往低频偏移。而高频谐振频率主要受下层辐射贴片1的影响,当减小下层贴片尺寸W1,天线的谐振点向高频移动,调节两谐振频率的距离,可增加天线的阻抗带宽;调节馈线宽度WF,可进一步改善阻抗匹配性能。

为深入研究天线轴比特性的影响因素,利用HFSS软件分别对上层贴片2和下层辐射贴片1的切角面积及馈线偏移位置Lx进行优化分析。

天线的轴比随辐射贴片2切角面积的变化曲线如图5所示,当ΔS2很小接近2 mm2时,天线的轴比在频带内均大于3 dB,无法激励起圆极化波,随着ΔS2增大,天线轴比带宽逐渐得到改善,当ΔS2在6 mm2左右,天线的轴比性能最好,达900 MHz,继续增大切角面积达8 mm2左右,轴比带宽逐渐变窄,变为800 MHz。

而辐射贴片1切角面积的改变对圆极化性能也有很大的影响,如图6所示,ΔS1很小约为4 mm2时,轴比带宽仅为400 MHz(4.3～4.75 GHz),当ΔS1增大至6 mm2时,天线轴比性能明显得到改善,ΔS1增大至8 mm2时,轴比性能最佳,带宽达到900 MHz。若继续增大ΔS1,轴比带宽也呈现出变窄的趋势。

馈线的位置对轴比也有一定的影响,如图7所示,当馈线位置在介质板中心(Ly=0 mm)时,轴比带宽为400 MHz(4.4～4.8 GHz)。若馈线偏离介质板中心向-y轴方向移动时,轴比带宽将至300 MHz。当馈线向+y轴方向移动Ly=2 mm时,天线的轴比带宽达到最大,在4.3～5.2 GHz频带范围内,轴比均小于3 dB。若将馈线继续向+y移动(Ly=3 mm),在4.6～4.8 GHz范围内,轴比大于3 dB。

天线两层辐射贴片表面电流分布如图8所示。由图8(a)可知,相位为0°时,电流方向主要指向+x方向;相位为90°时,电流方向主要指向-y方向;相位为180°时,电流方向主要指向-x方向;相位为270°时,电流方向主要指向+y方向;同理分析上层贴片可知,该天线辐射出左旋圆极化波。

3 天线实测分析

文中通过电磁仿真软件HFSS 13对天线进行反复的仿真优化,天线结构部分参数的优化结果如下:W1=16 mm,W2=17 mm,LT=23 mm,WT=12 mm,Wg=40 mm,Lx=2 mm,LF=22 mm,WF=2.8 mm,ΔS1=8 mm2,ΔS1=6 mm2,H1=10 mm,H2=2 mm,H3=5 mm。

加工得到的天线实物如图9所示。用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线实物进行S11测试,结果如图10所示。在4.2～5.8 GHz范围内,S11小于-10 dB,带宽达到32.0%,且宽频带内S11基本保持在-15 dB以下,阻抗匹配性能良好。S11的测试结果与仿真结果吻合良好。缝隙耦合的层叠结构,可明显扩展天线的阻抗带宽。

在微波暗室中,用NSI2000测试系统分别对天线的轴比、方向图、增益进行测试。天线增益及左旋圆极化轴比带宽仿真与测试曲线如图11所示。在4.25～5.25 GHz频带内,轴比小于3 dB带宽达到了21.2%。但在4.85～4.90 GHz的这个很窄的范围内,天线的轴比略微大于3 dB,达到3.2 dB,在很多的应用中,这样的微小偏差还是可以接受的。误差主要可能是由加工精度、测试环境等因素造成的。实测与仿真结果基本一致,验证了设计的可靠性。另外,有可能是因为上下两贴片中心未完全对正,导致阻抗带宽与轴比带宽均向低频略微偏移。将所设计的天线与标准喇叭对比测试得到天线实际增益。天线在4.2～5.8 GHz频率范围内,增益大于8.5 dB,在5.2 GHz频率处取得最大增益9.3 dB,仿真结果最大增益则在5.3 GHz处为9.0 dB,相差0.3 dB。测试结果与仿真结果基本吻合。

图12为4.5 GHz、5.0 GHz时天线在xoz面和yoz面仿真与实测归一化方向图。在测试过程中,由于实验环境的影响,以及转台转动角速度较大造成的天线抖动导致了实测方向图毛刺较大。但从实测结果仍可以看出天线的方向图具有良好的对称性,且3 dB波束宽度为70°。该天线为左旋圆极化的工作方式,交叉极化电平基本都在-20 dB以下。方向图实测结果与仿真结果基本吻合,进一步证明了该天线具有良好的定向辐射、低交叉极化电平、宽波束等特性。由于实验测试设备的限制,只能测试-90°到+90°的方向图。

4 结论

文中设计了一种基于矩形宽缝耦合的C波段宽带高增益圆极化微带天线单元,采用切角的贴片实现天线的圆极化,通过调整馈线的位置及切角尺寸显著改善了天线的轴比特性。通过添加金属反射板实现天线的定向辐射并提高增益。测试结果表明,该天线单元阻抗带宽为32%,轴比带宽为20%,带内增益大于8.5 dB,交叉极化电平小于-20 dB,波束宽度为70°。该类天线具有良好的宽带、高增益性能及圆极化辐射特性,在现代通讯领域应用广泛。

[1] 王骞, 席晓莉. 小型双频圆极化微带天线 [J]. 现代电子技术, 2008(5): 87-88.

[2] NASIMUDDIN，CHEN Zhining, QING Xianming. A compact circularly polarized cross-shaped slotted microstrip antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60(3): 1584-1588.

[3] 高尧, 韦高. 一种新型C波段宽带圆极化贴片天线的设

计 [J]. 现代电子技术, 2011, 34(17): 95-97.

[4] CHEN J M, ROW J S. Wideband circularly polarized slotted-patch antenna with a reflector[J]. IEEE Antennas and Wirelss Propagation Letters, 2015, 14: 575-578.

[5] LAM K Y, LUK K M, KAI F L, et al. Small circularly polarized U-slot wideband patch antenna [J]. IEEE Antennas and Wirelss Propagation Letters, 2011, 10(1): 87-90.

[6] 胡志慧, 姜永华, 李娜. Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计 [J]. 弹箭与制导学报, 2013, 33(2): 129-132.

[7] 王宇, 姜兴, 李思敏. Ku波段宽频带双极化微带天线阵的设计 [J]. 电波科学学报, 2008, 23(2): 276-279.

DesignofaBroadbandCircularlyPolarizedAntennawithCBandLaminatedStructure

JIANG Xing, WEI Jia, TONG Huiqi

(School of Information and Communication, Guilin University of Electronic and Technology, Guangxi Guilin 541004, China)

In order to satisfy the requirement of broadband communication in C-band, a broadband high gain circularly polarized microstrip antenna with gap coupling laminated structure was designed. The radiation patch with double layered chamfering was used to achieve circular polarization and expand the bandwidth of antenna. The feeder was deviated from the center of the dielectric plate, and the axial ratio characteristic of the antenna was improved. The metal reflector was used to realize the directional radiation of the antenna, and the gain was increased. The measurement results showed that -10 dB impedance bandwidth of the proposed antenna reached 32.2% (from 4.17 to 5.76 GHz) and the 3 dB axial ratio (AR) bandwidth reached 20.2% (from 4.25 to 5.25 GHz), and the gain of the antenna was greater than 8.5 dB in the axial ratio bandwidth range. With the characteristics of wide bandwidth and high gain, the antenna was suitable for C band broadband communication.

antenna; circular polarization; broadband; high gain; chamfering

TN82

A

2016-07-18

国家自然科学基金(61371056;61401110)资助

姜兴(1962-),女,河北人,教授,研究方向:天线与电磁测量。