基于左手材料的圓極化貼片天線設(shè)計(jì)

摘要：基于左手材料的相位特性，提出了利用集總電容、電感加載構(gòu)造來得到寬帶功分移相器，然后利用該功分移相器結(jié)合L型金屬棒饋電結(jié)構(gòu)來拓展微帶天線帶寬，從而設(shè)計(jì)制作工作頻率為1．8 GHz、軸比小于3 dB的相對(duì)帶寬為40％、S11小于-10 dB的相對(duì)帶寬為32％(1．40-1．95 GHz)的天線設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵字：左手微帶線；功分器；寬帶圓極化貼片天線

O 引言
近年來，隨著現(xiàn)代微波通信的發(fā)展，寬帶圓極化微帶天線的發(fā)展越來越受到研究者的重視，各種形式的寬帶圓極化微帶天線層出不窮。而左手材料則以其基于集總電容、電感周期加載結(jié)構(gòu)的形式更被廣泛地應(yīng)用到寬帶化、小型化微波器件領(lǐng)域。在有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種中心頻率為1．8 GHz的寬帶90°功分移相器，并通過L型探針結(jié)構(gòu)給微帶貼片饋電，從而提高了這種天線的圓極化帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)
該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。該天線通過Wilkinson功分移相器將輸入能量分成兩路幅值相同、相位差為90°的信號(hào)。這兩路信號(hào)通過探針耦合饋電到圓形輻射貼片。這種結(jié)構(gòu)可以在金屬棒和天線金屬片之間引入更大的容抗，從而可以補(bǔ)償探針本身帶進(jìn)來的高感抗，進(jìn)一步增加天線和底板之間的高度。為了盡最大可能增加帶寬，本設(shè)計(jì)引入的混合空氣介質(zhì)層不失為一個(gè)非常有效的方法，該方法不但可以方便地得到介電常數(shù)為1的空氣層，而且可以在普通的介質(zhì)層上方便的印刷饋電網(wǎng)絡(luò)。為了擴(kuò)展天線的圓極化帶寬，本文使用了寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)，該天線由三部分組成，其中基于介質(zhì)板的饋電網(wǎng)絡(luò)層的輸入特征阻抗為50Ω，介質(zhì)板為邊長W的正方形；而處在空氣層中半徑為Rs的L型金屬棒的長度為L1，高度為H1，超出天線的邊緣距離為S1；第三部分是用于輻射的金屬片，其直徑為D，離地面的高度為H。

圓形貼片的主模是TMll模，根據(jù)上述天線結(jié)構(gòu)，TMll模的場能量集中在空氣層。若激勵(lì)單元的諧振頻率為f，激勵(lì)模式為TMll模。那么，當(dāng)貼片形狀為圓形，激勵(lì)板半徑為a時(shí)，則有：

根據(jù)上述公式，選擇基片的介電常數(shù)和厚度，就可以得到需要頻率點(diǎn)的初始圓形貼片尺寸。本設(shè)計(jì)選擇基片厚度為0．8 mm，介電常數(shù)為2．2的介質(zhì)板Arlon Diclad 880(tm)做饋電網(wǎng)絡(luò)的基板，空氣層介電常數(shù)為l，中心頻率為1．8GHz。而在確定圓盤高度時(shí)，為了擴(kuò)展帶寬，可將貼片與基板間距離拉大，但是，隨著它們之間高度的增大，方向圖將不再具有良好的輻射特性，且?guī)捲黾訉⒉辉倜黠@，一般可將高度選擇在0．1～0．15λ之間，同時(shí)為了能讓L型金屬棒起到更好的饋電作用，這里取H=20 mm(0．11λ)比較合適。通過公式(1)可以得到初始圓形貼片的直徑為104 mm。其他參數(shù)的取值為：W=180 mm，L1=36 mm，H1=ll mm，Sl=14 mm，Rs=l mm。通過HFSS軟件的優(yōu)化仿真，可得到最佳貼片直徑D為76．5 mm。