正交縫隙耦合饋電寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

正交縫隙耦合饋電寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)張昭;曹祥玉;李思佳淳5蓉【摘要】為了實(shí)現(xiàn)圓極化微帶天線的頻帶拓寬和增益提高，在縫隙耦合天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種Ku頻段正交縫隙耦合饋電的寬帶圓極化微帶天線.該天線以雙層方形貼片為輻射單元，在拓展天線阻抗帶寬的同時(shí)提高了增益;采用微帶線結(jié)合正交左旋縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合饋電，通過優(yōu)化縫隙結(jié)構(gòu)改善了天線軸比特性.測量結(jié)果表明:阻抗帶寬(VSWRv2)和軸比帶寬(ARv3dB)分別達(dá)到22.5%和16.2%,軸比帶寬內(nèi)天線增益均大于9dBi.該結(jié)構(gòu)天線以其簡單的饋電設(shè)計(jì)為寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值.【期刊名稱】《空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2014(015)002【總頁數(shù)】5頁(P57-61)【關(guān)鍵詞】微帶天線;寬頻帶;圓極化;正交左旋縫隙【作者】張昭漕祥玉;李思佳;郭蓉【作者單位】空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西西安,710077;空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西西安,710077;空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西西安,710077;空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西西安,710077【正文語種】中文【中圖分類】TN82現(xiàn)階段圓極化微帶天線具有體積小、剖面低、易共形、能接收任意線極化來波等優(yōu)點(diǎn)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中擁有廣闊的應(yīng)用前景,因此對其研究具有重要意義［1-2］。但是由于圓極化微帶天線阻抗帶寬和軸比帶寬通常較窄、增益較低需要進(jìn)一步的研究。針對拓展圓極化軸比帶寬、提高天線增益的問題，文獻(xiàn)［3］提出一種雙層貼片結(jié)構(gòu),利用威爾金森功分器通過H形口徑耦合饋電，軸比帶寬雖達(dá)到30%,但增益僅大于6dBi;文獻(xiàn)［4~5］深入介紹了通過微帶巴倫為4個(gè)L型探針饋電的單貼片圓極化微帶天線,3dB軸比帶寬均達(dá)到了80%,但帶內(nèi)增益僅在3dBi以上;文獻(xiàn)［6~7］應(yīng)用三饋電方式實(shí)現(xiàn)圓極化輻射,3dB軸比帶寬分別達(dá)到19.8%和33%,帶內(nèi)增益大于3dBi;以上設(shè)計(jì)雖然軸比帶寬得到很大擴(kuò)展，但是饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)都很復(fù)雜，且?guī)?nèi)增益較低。單饋電方式的圓極化微帶天線雖無需額外電路，但它所能提供圓極化帶寬較窄，文獻(xiàn)［8］選擇雙層方形倒角貼片為輻射單元，分別采用微帶線邊饋和耦合饋電，其天線單元3dB軸比帶寬分別達(dá)到8.0%和11.67%;文獻(xiàn)［9］通過在雙層微帶天線的圓環(huán)貼片上加載面積適當(dāng)?shù)木匦慰p隙對的方式輻射圓極化波，其3dB軸比帶寬為12%;文獻(xiàn)［10］采用同軸饋電雙層貼片結(jié)構(gòu)使軸比帶寬擴(kuò)展至13.5%,帶內(nèi)增益約7.5dBi。為了進(jìn)一步展寬天線的工作頻帶和提高天線的增益，本文提出采用正交不等長縫隙耦合饋電的Ku頻段雙層貼片寬帶圓極化微帶天線。該結(jié)構(gòu)微帶天線以非常簡單的饋電方式實(shí)現(xiàn)了寬頻帶高增益圓極化輻射,在衛(wèi)星通信領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。1天線單元設(shè)計(jì)為擴(kuò)展圓極化軸比帶寬、提高增益、簡化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提出了2種正交縫隙耦合饋電的Ku頻段層疊結(jié)構(gòu)圓極化微帶天線，其結(jié)構(gòu)見圖1。圖1天線結(jié)構(gòu)Fig.1Antennastructure整個(gè)天線結(jié)構(gòu)從下至上依次為饋電介質(zhì)層、介質(zhì)層1、空氣層、介質(zhì)層2,開路微帶饋線位于饋電介質(zhì)層下表面，下層貼片印制在介質(zhì)層1的上表面，上層貼片印制在介質(zhì)層2的下表面。縫隙部分由2個(gè)末端帶拐角的不等長矩形縫隙正交組成,根據(jù)縫隙所在平面法向與縫隙末端拐角指向依次將其記作正交左旋縫隙(Left-HandOrthogonalSlots,LHOS)型和正交右旋縫隙(Right-HandOrthogonalSlots，RHOS)型，見圖2。圖2LHOS型和RHOS型結(jié)構(gòu)Fig.2StructuresofLHOSandRHOS2參數(shù)分析為分析縫隙末端拐角指向?qū)μ炀€性能的影響，在天線尺寸參數(shù)相同的條件下,分別對LHOS型和RHOS型天線的VSWR和AR進(jìn)行了仿真對比，結(jié)果見圖3。由圖3可知，對于右旋圓極化波,LHOS型縫隙會延長電流路徑，使諧振頻帶向低頻移動相對帶寬增大;RHOS型縫隙會使天線交叉極化分量增大，導(dǎo)致軸比特性惡化。圖3LHOS型和RHOS型天線仿真結(jié)果對比Fig.3ComparisonofsimulatedLHOSandRHOS通過上述分析，選擇LHOS型縫隙設(shè)計(jì)圓極化天線，先根據(jù)駐波比確定貼片尺寸，再優(yōu)化縫隙結(jié)構(gòu)尺寸?？p隙末端的拐角等效為電抗性負(fù)載［11］,實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的同時(shí)，極大地減小了饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的論述，縫隙的寬度固定在很小值，主要通過改變長度調(diào)節(jié)諧振頻率和諧振電阻。利用AnsoftHFSS14.0仿真軟件分別對LHOS型縫隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)La1、Lb1、La2和Lb2進(jìn)行分析,仿真結(jié)果見圖4。其他參數(shù)如下:a=7.4mm,b=5.5mm,w=1.2mm,L=2mm,縫隙寬度均為0.2mm。圖4不同縫隙尺寸的軸比結(jié)果Fig.4ARresultsofdifferentslotparameters由圖4(a)、(b)可知，隨著La1和La2的增大2個(gè)諧振點(diǎn)逐漸靠近，并且2個(gè)諧振點(diǎn)之間的軸比值逐漸減小;由圖4(c)、(d)可知，隨著Lb1和Lb2的增大,2個(gè)諧振點(diǎn)頻率逐漸向低頻移動，兩諧振點(diǎn)之間的軸比值先減小后增大。由此可知，短縫隙主要影響諧振頻點(diǎn)位置,長縫隙主要影響諧振點(diǎn)之間的距離，故適當(dāng)選取縫隙長度值可以達(dá)到擴(kuò)展3dB軸比帶寬的目的。當(dāng)頻率為13GHz時(shí),LHOS型天線上下層輻射貼片表面電流分布結(jié)果見圖5。相位以90°間隔從0°增加到270°。由圖5(a)可知相位為0°時(shí)，電流方向主要指向-y方向;相位為90°時(shí)，電流方向主要指向+x方向;相位為180°時(shí)，電流方向主要指向+y方向;相位為270°時(shí)，電流方向主要指向-x方向;同理分析下層貼片可知，該天線輻射右旋圓極化波。需要指出的是，將饋線繞z軸旋轉(zhuǎn)90°后所形成的天線將輻射左旋圓極化波［13］,由于結(jié)構(gòu)的軸對稱性，這2種極化方式天線的其他性能必然相同。圖5貼片表面電流分布Fig.5Distributionofsurfacecurrent3實(shí)測分析加工制作了LHOS型圓極化微帶天線,天線實(shí)物見圖6。利用AgilentN5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、云傲AT-1轉(zhuǎn)臺、標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線和寬頻帶增益喇叭天線構(gòu)成遠(yuǎn)場測試環(huán)境，對天線的VSWR進(jìn)行了測試,利用極化瓣圖法［14-15］測量出天線的極化瓣圖，進(jìn)而得到天線的AR。圖7中，仿真VSWR<2和AR<3dB的頻率范圍分別是11.45~14.31GHz和12.0~14.0GHz相對帶寬分別為22.2%和15.4%,實(shí)測VSWR<2和AR<3dB的頻率范圍分別是11.38~14.26GHz和11.9~14.0GHz,相對帶寬分別為22.5%和16.2%,實(shí)測與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。阻抗帶寬與軸比帶寬均向低頻有略微偏移,這可能是上下貼片中心未完全對正和空氣層厚度不均勻?qū)е?。圖6天線實(shí)物圖Fig.6Fabricatedantenna圖7VSWR和AR實(shí)測結(jié)果Fig.7MeasuredVSWRandARresults選取12GHz、13GHz和14GHz3個(gè)頻點(diǎn)測試了方向圖，結(jié)果見圖8。3個(gè)頻點(diǎn)處的主輻射方向增益均大于9dBi,交叉極化抑制度在主輻射方向大于15dB,反映了天線良好的右旋圓極化特性。圖8各頻點(diǎn)實(shí)測方向圖Fig.8Measuredradiationpatterns4結(jié)語采用微帶線結(jié)合正交縫隙結(jié)構(gòu)饋電的層疊微帶天線，對縫隙結(jié)構(gòu)和尺寸對天線性能的影響進(jìn)行了討論和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)。加工制作了LHOS型天線，實(shí)測結(jié)果表明該天線阻抗帶寬達(dá)到22.5%,3dB軸比帶寬達(dá)到16.2%,3dB軸比帶寬內(nèi)增益均大于9dBi。該天線具有良好的寬帶圓極化和高增益性能，且饋電簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域具備一定的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)(References):宋小弟，馮恩信,傅君眉.一種新型小型圓極化GPS微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[幾西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,36(6):1108-1113.SONGXiaodi,FENGEnxin,FUJunmei.DesignandimplementationofanovelminiaturizedcircularlypolarizedGPSmicrostripantenna[J].JournalofXidianuniversity,2009,36(6):1108-1113.(inChinese)趙紅梅，牛艷娟,劉藤.新型小型化GPS天線設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2010,50(1):107-110.ZHAOHongmei,NIUYanjuan,LIUTeng.AnovelcompactGPSantenna[J].Telecommunicationengineering,2010,50(1):107-110.(inChinese)周軍，王玉峰,周江昇.一種寬頻圓極化H形縫耦合微帶天線設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2010,26(S1):153-156.ZHOUJun,WANGYufeng,ZHOUJiangsheng.Designofabroadbandcircularly-polarizedh-sharpedaperture-coup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