UHF圆极化微带天线 篇1
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线, 以其低轮廓、可与载体共形、馈电方式灵活、体积小等优点在天线开发应用中倍受青睐。按照电磁波极化方式, 微带天线主要分为线极化和圆极化。UHF圆极化微带天线采用相位相差90°的双馈电方式实现天线的圆极化, 同时利用双层微带天线的原理展宽天线的带宽, 并提高天线的增益, 使其满足指标要求。
1 圆极化的实现
使用双馈电方式实现圆极化, 极化电桥和天线背靠背相接, 保证两个端口的馈电电压等幅, 相位差90°。为了展宽带宽所采用的双层微带天线的结构如图1所示。d1、d3是介质基片, d2是空气层。天线的下层导体贴片为激励单元, 上层导体贴片为寄生单元。上下两贴片采用相同的形状, 同心放置。这两个导体贴片形成了两个谐振回路, 具有两个谐振频率。通过选择合适的介质基片、馈电位置、贴片形状、贴片距离, 可以调整这两个谐振频率, 是这两个频率适当接近, 从而形成频带大大展宽的双峰谐振电路。
双层微带天线的结构十分复杂, 要得到精确的分析结果, 必须用严格的全波分析法进行分析。在实际的工程中, 往往采用一些经典公式初步确定天线的尺寸, 获得天线设计的起点。
设激励单元和寄生单元的谐振频率分别为f1、f2。当贴片形状为圆形, 激励单元与寄生单元的半径分别为a1、a2时, 其中, c为光速, 则有:
根据上述公式, 选择基片的介电常数、厚度, 可以得到贴片的大小。
通过计算, 得到微带圆极化天线的尺寸如下:
激励单元的谐振频率f1=340MHz寄生单元的谐振频率f2=360MHz
2 天线仿真
图2为两个正交馈电头馈电, 相位相差90°时天线轴比。由此得出当单馈电时天线轴比大于28d B, 采用两个正交馈电头馈电, 相位相差90°时馈电时轴比变为1.2, 实现了天线的圆极化辐射。电压驻波比如图3, 从图中得出双层微带天线时驻波比小于2.5的带宽为30MHz和6MHz段, 根据天线多年的工程经验, 在加工实现时, 3d B的引入将使带宽满足指标要求。
由仿真得到的微带圆极化天线增益及三维图如图4~图6所示。
由图4, 图5图6可以看出, 天线工作在340MHz时, 天顶角增益为3.5d Bi, 在仰角为±50°时, 天线增益分别为-0.73d Bi和-0.85d Bi。天线工作在370MHz时, 天顶角增益为7.0d Bi, 在仰角为±50°时, 天线增益分别为2.87d Bi和2.17d Bi。天线工作在400MHz时, 天顶角增益为5.7d Bi, 在仰角为±50°时, 天线增益分别为0.79d Bi和0.94d Bi。满足技术指标要求。
3 结语
利用经验公式和软件仿真相结合的方法设计UHF波段的圆极化双层微带天线。使用双馈电方式实现圆极化, 极化电桥和天线背靠背相接, 保证两个端口的馈电电压等幅, 相位差90°, 实现天线的圆极化。双层微带展宽带宽, 得到比较好的轴比、增益和方向图。
摘要：利用经验公式和软件仿真相结合的方法设计UHF波段的圆极化双层微带天线。对双层微带天线的圆极化特性进行分析研究, 得到比较好的轴比、增益和方向图。
关键词：圆极化,微带,双层
参考文献
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UHF圆极化微带天线 篇2
关键词：微带天线,圆极化,宽带,缝隙,层叠结构
0 引 言
从微带天线的概念提出以来, 因具有结构简单, 体积小, 重量轻, 剖面低, 易与载体共形等优点, 而广泛应用于卫星通信、雷达、射频识别、导航等领域。其中, 圆极化微带天线又因其能够接受任意极化的来波, 且其辐射的圆极化波可以被任意极化的天线所接收的优点而越来越受到青睐。微带天线产生圆极化波的关键是产生幅度相等、相位相差90°的两个相互正交的线极化波, 即产生两个在空间和时间上都正交的线极化波。为达到上述要求, 圆极化微带天线在馈电方式上主要可以分为以下三种形式:单点馈电[1,2,3,4]、双点馈电[5,6,7]或四点馈电[8]。其中, 单馈点圆极化微带天线不需要功分器和移相器等正交馈电网络, 因此结构最为简单, 但缺点是轴比带宽较窄。文献[5,6,7,8]中分别采用了双电馈电或四点馈电, 不同程度地扩展了圆极化轴比带宽, 但都具有馈线结构复杂的缺点。文献[9]采用方形切角贴片, 利用层叠结构取得了较宽的轴比带宽, 但其采用的是耦合馈电, 且阻抗带宽远低于本文提出的新型天线。
本文在对上述结构比较研究之后, 通过在贴片表面开槽, 并采用层叠结构的方法, 设计并仿真了一个X波段单馈点圆极化微带天线, 实现了天线阻抗带宽于轴比带宽的同时展宽。利用HFSS模拟仿真以及实测结果表明, 这种天线在工作于9.7 GHz时, 其阻抗带宽达到了33%, 轴比带宽达到了13.9%, 且采用了传统的同轴馈电, 结构简单, 易加工。
1 天线设计与分析
微带天线产生圆极化波的关键是产生幅度相等、相位相差90°的两个相互正交的线极化波, 即产生两个在空间和时间上都正交的线极化波。本文提出的天线采用在贴片上开槽的方法实现上述要求。图1为所设计的新型天线结构图。
如图1所示, 该天线为层叠结构, 采用50 Ω同轴探针馈电。上层贴片倒置于上层介质板, 下层贴片与接地板分别位于下层介质板的两侧, 上下两层介质板之间用空气层隔开。空气层的引入相当于增加了上层介质板的厚度, 因此减小了上层介质板的相对介电常数, 即降低了该微带天线的Q值, 从而达到了增加带宽的目的。上层介质板:厚度h1=0.5 mm, 介电常数ε1=2.94;下层介质板:厚度h3=1 mm, 介电常数ε3=2.9;空气层高度h2=2.8 mm, ε2 =1.000 6;总厚度为4.3 mm (约为0.139λ0) 。上下两层贴片都是采用在圆形贴片上开C型槽的结构, C型槽由与贴片同心的两道圆弧构成。上层贴片为寄生贴片, 半径为 R1;C型槽的内外半径分别为r1和r2。合理地调节r1和r2, 使其谐振频率与下层贴片相近, 从而使天线的阻抗带宽和轴比带宽都得到明显提高。下层激励贴片半径为R2;C型槽内外半径分别为r3和r4。贴片尺寸根据空腔模型理论[10]分析得出, 由腔模理论可得, 圆形微带天线为Tmn模时的谐振频率与贴片半径间关系式:
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式中:χmn是n阶贝赛尔函数的第m个零点, 本天线工作于圆贴片微带天线的主模T11模, 查表可得χ11=1.841;a是计入边缘效应的等效半径, 它与物理半径a′的关系如下:
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由上述关系算出的贴片半径与实际贴片半径仍有偏差, 这是因为在贴片上开槽的原因。该C型缝隙使贴片表面的电流发生了绕流, 如图2所示。从图2中可以看出, 电流流径在缝隙附近发生了一些改变。这种缝隙对贴片表面电流流径的扰动产生了下述两个结果。
(1) 形成了圆极化辐射波。圆形微带贴片天线在贴片上没有加载缝隙的情况下, 通常工作于主模TM11模;当贴片表面加载C型缝隙后, 贴片表面的电流流径受到了缝隙的扰动, 使主模分离为两个相临近的模式。调节缝隙的尺寸以及缝隙与馈点的相对位置, 可以使这两个模式相互正交且相位相差90°, 从而形成圆极化辐射。图1中, B点是A点关于C型缝隙的对称点。通过调节, 在缝隙的右下方A点馈电可以得到左旋圆极化。此时若改为在B点馈电, 由于对称关系, 可得到右旋圆极化。
(2) 扩展了阻抗带宽。由于缝隙对电流的微扰作用, 在天线的主谐振频率附近形成了两个谐振点。通过调节缝隙尺寸以及馈点位置可以使这两个谐振点逐渐靠拢到一起, 并达到较为理想的匹配状况, 从而展宽天线的阻抗带宽。
在设计了天线的各项几何参数后, 借助高频仿真软件HFSS 10, 经多次参数调整及优化仿真, 得到了较为满意的仿真结果。
2 仿真结果
通过对天线各项参数的反复调整发现, 激励贴片上C型槽半径对天线轴比带宽影响较大。仿真结果如图3所示。
由图3 (a) 可以看出, 保持C型槽宽度不变, 随着r3的增大, 轴比的两个最小值相互远离, 从而天线3 dB轴比增加, 但当r3增大到一定值后, 轴比的两个最小值之间会超过3 dB。因此选择r3=4.45 mm, r4=4.15 mm。此时, 寄生贴片的半径R1=6 mm, C型槽内外圆半径分别为r1=5.25 mm和r2=4.95 mm;上下两层贴片上的C型槽宽度皆为0.3 mm, 馈电位置为 (-1.5, 3) 。图3 (b) , 图3 (c) 为天线VSWR和AR的最终仿真结果图。由图可以看出, 3 dB带宽为13.9%, VSWR<2的阻抗带宽达到35.4%, 天线工作在中心频率9.7 GHz时, 增益约为8.4 dB。图3 (d) 为天线中心频率E面和H面的方向图。
3 结 语
设计了一种新型的单馈电圆极化微带天线。通过在贴片表面开槽的方法, 不仅实现了圆极化辐射波, 而且达到了展宽阻抗带宽的目的, 且因天线采用传统的同轴线单点馈电, 所以其结构大为简化, 使得天线的应用更为灵活。通过HFSS仿真得到天线的3 dB轴比带宽为35.4%, 阻抗带宽达到13.9%。该天线在卫星通信等领域应用前景广泛。
参考文献
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