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一種應用于方向回溯天線陣的分形雙極化天線

作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706/347540.htm

1 引言

隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,迫切需要低成本、高增益,同時具有自動波束跟蹤能力的新型天線的出現(xiàn)?;谙辔还曹椉夹g(shù)而提出的方向回溯天線(Retrodirective Antenna)能自動發(fā)射來波的響應信號(入射信號或者處理后的入射信號)到來波方向,而不需要來波方向的先驗知識和復雜的數(shù)字信號處理算法。相對于傳統(tǒng)天線技術(shù)和通常的自適應天線技術(shù),方向回溯天線技術(shù)具有快速跟蹤的特性和更好的性價比,這一特點使得其在通信、射頻識別、共形天線、功率傳輸?shù)阮I域中有著廣闊的應用前景。

為了減少元數(shù)目,實現(xiàn)收發(fā)隔離,常采用天線。天線自身具有頻率復用、收發(fā)一體化、極化分集、提高系統(tǒng)靈敏度、極化捷變等特點。在列系統(tǒng)中應用天線收發(fā)一體化的特點,將一對正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端,實現(xiàn)收發(fā)隔離,使得方向回溯天線在通信系統(tǒng)中發(fā)揮更好的作用。

雙極化天線饋電結(jié)構(gòu)形式多種多樣,通常采用的基本形式有:(1)共面饋電形式,分為角饋和邊饋兩種基本形式。共面饋電隔離度較差,一般只應用于特定場合或者工程要求不高的情況下;(2)共面和口徑耦合相結(jié)合饋電形式。這種饋電方式可實現(xiàn)高隔離度,極化純度較高等優(yōu)點,但由于饋電在不同介質(zhì)層上,不易用于天線陣列的設計;(3)口徑耦合饋電形式。采用開C形或H形槽來實現(xiàn)高隔離度雙極化天線,許多工作者采用這種饋電形式實現(xiàn)雙極化。

為提高天線工作帶寬和端口隔離度,本文采用了H形槽和電容加載H形槽相結(jié)合的口徑耦合饋電形式,輻射貼片采用二級Minkowski結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了一種高隔離度雙極化的設計,將其作為方向回溯天線陣列單元(工作頻率范圍4.4 GHz ~ 5 GHz)。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.1對該天線進行電磁仿真,并加工實物,利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀進行實際測試。測試結(jié)果顯示VSWR<2的相對阻抗帶寬H端口達到17.6 %,V端口達到20.5 %,雙端口隔離度大于35 dB,天線增益大于8 dB,前后比大于20 dB,仿真和測試結(jié)果均滿足方向回溯天線系統(tǒng)對天線單元的要求指標。

2 天線設計

口徑耦合雙極化結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中圖1(a)為天線側(cè)視圖,圖1(b)為天線的俯視圖。天線主要由兩層介質(zhì)板構(gòu)成,上層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯材料,輻射貼片刻蝕在上層介質(zhì)板的下表面,這樣上層介質(zhì)板可起到天線罩的作用加以保護。下層介質(zhì)板采用FR4材料,接地板和饋線分別位于下層介質(zhì)板的上下兩側(cè),H形和加載H形槽開在接地板上且互相垂直。

兩層介質(zhì)板之間為空氣層,這相當于將上層介質(zhì)板的厚度增加到原厚度與空氣間隙之和,因此降低了介質(zhì)板的平均相對介電常數(shù),即降低了該的Q值,從而達到了增大頻帶寬度的目的,同時也有助于提高天線的增益。

為了減小天線尺寸,天線輻射貼片采用二級Minkowski分形結(jié)構(gòu),分形結(jié)構(gòu)改變了輻射貼片電流分布,使電流沿著曲折的導體面而非簡單的幾何面分布,相當于增加了電長度,降低諧振頻率,因此可以減小天線尺寸。

為提高雙端口隔離度,該天線采用H形高隔離度口徑耦合形式。由于相互垂直的兩個占有較大的面積,增加了天線尺寸,所以V端口采用,H端口在H形槽的基礎上改進為電容加載H形槽,即將兩臂彎折,因此增加開槽臂長度,提高端口隔離度。通過調(diào)整兩個饋電開槽和輻射貼片開槽的尺寸長度,可以改善輸入端口的阻抗特性,實現(xiàn)輻射貼片的寬頻諧振。

(a)

(b)

圖1 (a) 天線側(cè)視圖 (b) 俯視圖

3 結(jié)果及分析

本文利用Ansoft公司的HFSS軟件對分形口徑耦合雙極化天線進行電磁仿真計算,仿真調(diào)試天線尺寸為:上層介電常數(shù)εr1 =2.65,下層介電常數(shù)εr2 = 4.4;介質(zhì)板大小W = 40 mm,厚度h = 1 mm;貼片尺寸pa = pb = 16.8 mm,H形槽結(jié)構(gòu)尺寸:xa = 7 mm,xb = 0.5 mm,xc = 6 mm,xd = 0.2 mm;加載H形槽尺寸:ya = 5 mm,yb = 0.8 mm,yc = 6 mm,yd = 0.2 mm,tc = 1 mm;饋線開路枝節(jié)尺寸:vt = 2 mm,ht =3.5 mm。

根據(jù)上述天線基本尺寸,加工了實物天線。如圖2(a)為天線側(cè)視圖,圖2(b)為二級Minkowski分形輻射貼片。

(a)

(b)

圖2 (a) 天線實物側(cè)視圖 (b) 分形輻射貼片

圖3為兩端口駐波的仿真與測試結(jié)果。由圖3可知,仿真得到端口H駐波小于2的頻率范圍為4.38 GHz ~ 5.168 GHz,相對阻抗帶寬為16.8 %,端口V駐波小于2的頻率范圍為4.27 GHz ~ 5.203 GHz,相對阻抗帶寬為19.7 %;實測得到端口H和端口V的相對阻抗帶寬分別為17.6 %、20.5 %。說明仿真和測試結(jié)果基本吻合,但測試曲線略有偏移,這是由于介電常數(shù)分布的不均勻性和測試誤差造成的。

圖3 天線雙端口VSWR仿真與測試圖

天線端口隔離度的仿真和測試結(jié)果如圖4所示,在工作頻率范圍內(nèi),雙端口隔離度仿真結(jié)果為S21 ≤ -31.5 dB,測試結(jié)果為S21 ≤ -35 dB,說明兩端口具有較高的隔離度,可以實現(xiàn)收發(fā)隔離的工程要求。

圖4 天線隔離度S21

圖5表示天線增益的實測結(jié)果,可見,在工作頻帶內(nèi)天線增益均大于8 dB,滿足方向回溯陣單元對增益的要求。

圖5 天線增益

圖6為f = 4.7 GHz時仿真和測量得到的方向圖。比較仿真和測試結(jié)果可知,兩端口測得的E面、H面方向圖曲線與仿真曲線吻合較好,天線前后比大于20 dB。但是端口V實際測量得到的H面曲線出現(xiàn)了一些波紋,這是由于測試環(huán)境和測試條件的影響所致。

(a)

(b)

圖6 (a)端口H仿真和測試方向圖
(b)端口V仿真和測試方向圖

4 結(jié)論

本文設計了一種方向回溯天線陣列單元,采用口徑耦合雙極化天線,利用二級Minkowski分形輻射貼片減小了天線尺寸,改進H形耦合槽為電容加載H形槽,提高了兩端口隔離度。實測結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好,實測表明,該天線端口H、端口V的阻抗帶寬分別為17.6 %、20.5 %。天線增益達到8 dB以上,前后比大于20 dB,兩極化端口隔離度大于35 dB。該天線可用作方向回溯天線陣單元,實現(xiàn)收發(fā)隔離,減少方向回溯天線陣元數(shù)目,為進一步方向回溯天線陣的研究奠定基礎。



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