圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

近年來(lái)，作為一種新型的微波微波天線，微帶天然水平儀在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中以其低輪廓、可與載機(jī)的共形性、銀行信號(hào)的分布方式、靈活的傳輸方式和小體積為優(yōu)勢(shì)。按照電磁波極化方式,微帶天線主要分為線極化和圓極化。圓極化微帶天線作為微帶天線理論和技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支,被廣泛的運(yùn)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星等電子系統(tǒng)中。由于圓極化波的特殊性質(zhì),使得收發(fā)天線間有很強(qiáng)的角度位置定位靈活性,并且能減小信號(hào)的多徑干擾。圓極化天線的實(shí)用意義主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面,圓極化天線可接收任意極化方式的來(lái)波,且輻射波也可由任意極化天線接收,故電子偵察和抗干擾中通常采用圓極化天線;在雷達(dá)的極化分集和電子對(duì)抗等應(yīng)用中也廣泛利用圓極化天線的旋向正交特性。本文針對(duì)如何減小天線尺寸進(jìn)行研究和設(shè)計(jì),利用HFSS軟件對(duì)圓極化微帶天線進(jìn)行仿真建模,采用高介質(zhì)材料和開(kāi)槽的方法來(lái)減小天線的尺寸,優(yōu)化了天線的各項(xiàng)參數(shù),通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析表明,該圓極化微帶天線的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)良好,在保證盡可能小的尺寸的前提下,實(shí)現(xiàn)了足夠大的增益,設(shè)計(jì)思想得到了很好的驗(yàn)證。1沒(méi)有采用亞反沖探針的天線隨著3G網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及和移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)手持終端天線,尤其是微帶天線的尺寸、性能提出了更高的要求,因此,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者紛紛把研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到微帶天線的小型化設(shè)計(jì)上。歸納起來(lái),縮減微帶天線尺寸主要有以下幾種途徑:一是采用高介質(zhì)的PCB板材,根據(jù)微帶天線諧振理論,當(dāng)天線的諧振頻率固定時(shí),尺寸與板材的介電常數(shù)εr成反比,介電常數(shù)越大,天線的尺寸越小。但與此同時(shí),天線的功率增益和帶寬也隨εr的增大而減小,此方法具有一定的局限性;二是采用加載短路探針?lè)?在介質(zhì)板中附加短路探針并使其靠近饋電探針,可以在很大程度上縮減貼片尺寸。其原理是利用短路探針和同軸探針之間形成強(qiáng)耦合,等效于一個(gè)電容加載,進(jìn)行阻抗補(bǔ)償,但是短路探針和饋電探針之間距離很近(通常為1mm),這對(duì)輸入阻抗的特性影響非常敏感,不易加工和調(diào)試,另外這種天線的頻帶窄,增益低,使用上也具有局限性;三是在微帶貼片上開(kāi)槽以延長(zhǎng)貼片表面的電流路徑,從而降低天線的諧振頻率,這是目前小型化設(shè)計(jì)中的主要方法,因?yàn)殚_(kāi)槽在降低天線的諧振頻率的同時(shí),能夠保證足夠的帶寬和增益,對(duì)天線性能的影響不大,也易于實(shí)現(xiàn)圓極化和雙頻雙極化特性。近年來(lái),諸多學(xué)者分別提出了微帶天線小型化的思想,在取得一定研究成果的同時(shí),也存在一些局限性。比如在三角形微帶貼片上開(kāi)不等臂長(zhǎng)的十字槽或開(kāi)不等臂長(zhǎng)的Y形槽;在輻射貼片和寄生貼片上分別開(kāi)半U(xiǎn)型槽縫;在圓形貼片或方形貼片上插入一個(gè)縫隙等,這些天線都能夠保證圓極化波輻射且使天線的尺寸有所減小,然而以上這些方法目的比較單一,單純是為了減小尺寸而設(shè)計(jì),雖然尺寸可下降40%,但是天線的增益通常偏低,無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的功率輻射,尺寸和增益之間似乎成了一對(duì)矛盾。如在文獻(xiàn)中介紹的微帶天線,其設(shè)計(jì)方法是在天線的拐角處開(kāi)4個(gè)不等長(zhǎng)的縫隙,并且在拐角處進(jìn)行切角處理,實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化輻射。該天線的諧振頻率大約能下降近20%,尺寸縮小了近36%,但是其增益約為2.8dB,如果僅靠單個(gè)天線的話,根本不能產(chǎn)生遠(yuǎn)距離的功率輻射。天線尺寸的過(guò)分減小會(huì)引起性能的急劇降低,其中對(duì)帶寬與增益的影響最大,而對(duì)方向圖的影響不明顯,因此開(kāi)槽的方法需在小型化與性能之間折衷考慮。對(duì)圓形貼片,當(dāng)槽的長(zhǎng)度與半徑之比約為0.622對(duì)應(yīng)尺寸減小20%時(shí)效果較好。對(duì)于其它形狀的微帶天線,也可采用類似的方法進(jìn)行分析。2天線的開(kāi)槽長(zhǎng)度d如圖1所示,天線采用圓形的微帶貼片,貼片的半徑為R,介質(zhì)厚度為h,相對(duì)介電常數(shù)為εr,貼片邊緣上設(shè)置4個(gè)相同的窄槽,槽的引入使金屬貼片表面的電流路徑變的彎曲,使高頻電流沿4個(gè)窄槽的邊緣曲折流過(guò)而路徑延長(zhǎng),貼片的等效尺寸相對(duì)變大,諧振頻率下降,可以實(shí)現(xiàn)天線小型化設(shè)計(jì)。貼片邊緣上的2個(gè)切角可以產(chǎn)生兩個(gè)正交的諧振模TM10模和TM01模,再通過(guò)調(diào)整開(kāi)槽和切角的長(zhǎng)度以及在貼片上選擇恰當(dāng)?shù)酿侂婞c(diǎn)位置,使TM10模和TM01模簡(jiǎn)并,具有幅度相等,相位差為90°,從而產(chǎn)生圓極化波輻射。通過(guò)調(diào)整2個(gè)切角的長(zhǎng)度D,同時(shí)調(diào)整邊緣4個(gè)槽的長(zhǎng)度L,并且在圓形貼片的對(duì)角線上選擇合適的位置用同軸探針進(jìn)行饋電,探針的特性阻抗為50Ω,就可以獲得的良好圓極化性能。如圖1所示,在A點(diǎn)饋電激勵(lì),產(chǎn)生右旋圓極化波;B點(diǎn)為A點(diǎn)關(guān)于軸線的鏡像點(diǎn),在B點(diǎn)饋電就能產(chǎn)生左旋圓極化波。綜合考慮天線的各個(gè)性能參數(shù),把天線的開(kāi)槽寬度設(shè)置為w=1mm。介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)εr=9.6,厚度為h=4mm,用基于有限元法的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件HFSS10對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了建模和仿真。通過(guò)對(duì)諸多仿真結(jié)果的對(duì)比分析可以看出,在微帶貼片邊緣處開(kāi)的4個(gè)槽對(duì)微帶天線的工作頻率有較大影響。相同貼片尺寸,槽開(kāi)的越長(zhǎng),天線的諧振頻率越低,即改變槽的長(zhǎng)度對(duì)改變天線的諧振頻率有更明顯的效果。槽的寬度對(duì)天線的諧振頻率也有影響,槽的寬度越大,天線的諧振頻率越低,但是頻率下降并不是很明顯,軸比將受到影響。在微帶貼片邊緣上切角對(duì)天線的軸比影響較大,隨著貼片上開(kāi)槽長(zhǎng)度增加,實(shí)現(xiàn)天線圓極化所需的切角變大。由于貼片中心未開(kāi)槽,饋點(diǎn)由中心到邊緣可使輸入阻抗從低到高,從而實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配,對(duì)天線加工時(shí)的誤差要求也有所降低。3pc仿真仿真根據(jù)理論論證結(jié)果,選取如下的設(shè)計(jì)方案,即天線的尺寸為:R=20mm,D=1.8mm,L=17mm,w=1mm,底板的半徑為36mm,εr=9.6,h=4mm,利用HFSS進(jìn)行微波無(wú)源器件及電路的設(shè)計(jì)大體經(jīng)過(guò)物理建模、給模型參數(shù)賦予初值、運(yùn)行仿真、參數(shù)調(diào)整優(yōu)化等步驟。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模之前,需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論分析過(guò)程,利用微帶天線工程設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定相關(guān)尺寸數(shù)據(jù),理論分析大體經(jīng)過(guò)分析數(shù)據(jù)、全波仿真分析優(yōu)化貼片尺寸、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等步驟。經(jīng)過(guò)仿真分析,可以得出天線的駐波VSWR如圖2所示;天線的軸比如圖3所示。天線的X-Z面的仿真遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖4所示,天線的Y-Z面的仿真遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖5所示。從上面的結(jié)果可以看出,軸比最小點(diǎn)的頻率是1270MHz,而駐波最小點(diǎn)的頻率也是1270MHz。選取駐波和軸比的折中點(diǎn)良好,軸比小于3dB的帶寬為8MHz左右,軸比帶寬約為0.63%,駐波帶寬為15MHz左右(VSWR<2),駐波帶寬約為1.2%,軸向上交叉電平達(dá)到了15dB以上。天線的增益超過(guò)了3.9dB,這是由于天線的尺寸未過(guò)分縮減,在小型化與性能之間取了較好的折中點(diǎn)。4hfss仿真本文針對(duì)微帶天線的小型化技術(shù)進(jìn)行研究和論證,設(shè)計(jì)了一種圓極化微帶天線,選取高介電常數(shù)的介質(zhì)材料作為基板,并在圓形貼片上開(kāi)4個(gè)窄槽。HF