L型探針耦合圓柱共形貼片天線輻射特性分析

1引言

微帶貼片天線是諧振式天線，無論采用微帶饋電還是同軸饋電，都存在頻帶窄的缺點，一般在2～5%左右；采用L－型探針耦合饋電的貼片天線，可以解決大大提高天線的帶寬，帶寬比到20％[；有限柱面上的貼片天線和天線陣，在通信基站中應用廣泛，而采用矩量法（MOM）求解L－型探針饋電圓柱貼片天線電場積分方程，計算了貼片天線輻射方向圖的情況，分析的是平面矩形貼片而不是真正和柱面共形。

本文利用柱坐標FDTD方法，采用單軸各向異性完全匹配層作為吸收邊界，采用金屬柱體延伸到吸收層內(nèi)的做法以避免柱坐標FDTD算法中心值奇異問題，來計算L型探針耦合共形貼片天線的輻射特性。

2單個柱面共形貼片天線分析

天線的工作參數(shù)(mm)為：Hc=132，Rc=50，L=W=44，s=14，s1=9.5，s2=20。f0＝2.45GHz。采用柱坐標FDTD計算參數(shù)為：，，，。采用硬激勵方式的δ源饋電，采用高斯脈沖信號。

圖1探針饋電的圓柱共形貼片天線

2.1共形貼片和平面貼片S參數(shù)比較

圖2是二種情況下的饋電點回波損耗和駐波比比較，平面情況結果為采用共形FDTD算法計算得到。

(a)S11

(b)VSWR

圖2共形貼片和平面貼片天線S參數(shù)比較

平面矩形貼片的帶寬為0.71GHz，帶寬比28.57％；柱面矩形貼片，帶寬為0.74GHz，帶寬比29.37％。柱面矩形的帶寬相比平面矩形略有提高（0.8％）。此外，從回波損耗來看，柱面矩形要稍高于平面矩形情況，這主要是由于矩形貼片彎曲之后，貼片的輸入阻抗變化所致，通過調(diào)整饋電參數(shù)s1、s2，可以更好地實現(xiàn)阻抗匹配。

2.2共形貼片和平面貼片方向圖比較

圖3為共形貼片和平面貼片情況的方向圖比較，在E面和H面，柱面矩形貼片的前向、后向輻射增益分別為8.1dB、-7.8dB；平面矩形貼片的前向、后向輻射增益分別為7.73dB、-6.43dB。二者相比較，發(fā)現(xiàn)柱面矩形的輻射性能比平面情況有所提高，前向輻射增加0.37dB,后向輻射降低1.37dB。

(a)E面

(b)H面

圖3共形貼片和平面貼片天線方向圖比較

3柱面共形貼片陣列分析

這里金屬柱體高度:Hc=7l，貼片軸向間距Sd=37.0mm，其它天線參和前面一致。下面分別研究縱向陣元個數(shù)變化，以及金屬柱體變化對輻射特性的影響。

圖4軸向放置的L探針饋電共形貼片陣列

3.1貼片陣元個數(shù)的影響

采用柱坐標FDTD算法，對陣元個數(shù)分別為4、6、8時，進行了計算。圓柱柱坐標的計算參數(shù)和前面保持一致。

從圖5看出，不同個數(shù)的陣列，在H面方向圖的形狀保持一致，僅是隨著陣元數(shù)的增多，增益有所提高，分別為12.39、14.03、15.07dB；在E面，隨著陣元個數(shù)的增加，除了天線增益有所提高外，波束逐漸變窄。

（a）E面

（b）H面

圖5不同陣元個數(shù)方向圖比較

3.2柱體半徑的影響

采用八列單元，金屬半徑分別取35mm、50mm、62.5mm，其它參數(shù)和前面保持一致，計算結果如圖6所示。

從圖6看出，當柱體半徑逐漸增加時，前向輻射增益逐漸增強，分別為14.74,15.07,15.28dB，后向輻射逐漸減弱，分別為-8.08,-12.48,-16.9dB。在E面，方向圖的旁瓣減弱的比較明顯，在H面，方向圖形狀的變化不明顯。

（a）E面

（b）H面

圖6柱體半徑對方向圖影響

4結論

本文采用柱坐標FDTD方法對L型探針耦合的圓柱共形貼片天線輻射特性進行了研究，表明共形貼片與平面矩形相比，帶寬以及輻射特性均有相應提高。并且，陣列個數(shù)、柱體半徑等參數(shù)變化對輻射特性的影響與平面貼片規(guī)律一致，與文獻[1]結論吻合。采用柱坐標FDTD方法，與文獻[1]采用的方法比較，分析更簡潔，效率更高