雙圓極化微帶天線的設計

薛 欣 張福順 馮昕罡 馮 睿

(西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室,陜西西安710071)

1.引 言

微帶天線的優點是體積小、重量輕、低剖面,其主要缺點是帶寬很窄。一般工程中要使微帶圓極化天線兼顧雙圓極化、寬波束寬度和小型化的特點具有一定難度,在此工程背景上進行了研究,使天線能同時工作在兩個離散的頻率點,產生不同旋向的圓極化特性[1]。由于圓極化天線帶寬很窄,加工時,尺寸稍有誤差,便使得圓極化特性變差。采用雙饋點饋電,增加天線的對稱結構,改善了圓極化特性,最終利用經驗公式和仿真軟件,設計了工作在兩個不同頻率點,不同旋向的圓極化天線,并采用高介電常數的介質板來減小天線尺寸,和展寬波束寬度[2-6]。

2.微帶天線的設計

天線的設計要求為天線安裝在邊長為48 mm,四周倒圓角的方形底座上,分別工作在L波段和S波段,其電壓駐波比VSWR≤2,軸比Axial Ratio≤2 dB。工作頻率L波段時產生左旋圓極化波,工作頻率S波段時產生右旋圓極化波。

采用多層重疊的微帶天線實現雙頻雙圓極化特性,該優點是便于工程實現和加工。為了減小天線的尺寸和展寬輻射波束寬度,采用介電常數為9.8的陶瓷介質,厚度為2 mm,工作頻率在S波段的上層,工作頻率在L波段的下層。高頻天線工作的時候下層的天線充當了地板;當低頻天線工作時,高頻天線因為尺寸小,減小了對低頻天線的影響。同時改變天線的形狀,改善波束寬度范圍內的圓極化特性。

如圖1所示。圓極化方式采用雙饋電點,兩個饋電端口所輻射的TM01和TM10模,在貼片輻射方向形成兩個正交分量,相差π/2,選擇適當的激勵頻率,可以使兩個模式同時被激勵,從而得到一個圓極化輻射場,選擇適當的相差,使得上層輻射右旋圓極化場,下層輻射左旋圓極化場。

2.1 貼片的設計

設計貼片時,先根據正方形貼片天線的經典公式設計天線單元其初邊長L。

根據式(1)式(2)計算出天線的初始尺寸,采用高介電常數介質,以減小天線尺寸和展寬波束寬度,增加天線的對稱結構,以改善圓極化特性,再利用仿真軟件,優化天線的尺寸[7-8]。

2.2 饋電網絡的設計

饋電網絡采用雙饋點饋電,如圖2所示,高頻功分器和低頻功分器分開工作,其功分器部分采用Wilkinson功分器,移相器采用普通微帶傳輸線。利用微帶傳輸線移相的特性,使功分器終端得到兩個等幅,相位相差π/2的電場。

圖2 功分器結構

3.仿真及實驗結果

3.1 仿真分析

對圖1所示天線結構和圖2所示功分器,利用Ansoft HFSS軟件進行仿真優化設計,具體尺寸為

1)天線大小Ls1=26.8 mm,Ls2=18 mm;

2)介質板介電常數ε=9.8;

3)介質板尺寸 Lm=48 mm,厚度 H2=H1=2 mm。

利用以上尺寸,建立模型仿真結果如圖3～圖4所示,圖3為天線的電壓駐波比系數(VSWR),圖4為天線輻射方向圖,其中0度方向為天線輻射面法線方向。

由圖3、圖4可以看出天線的兩個工作頻率VSWR≤2、最大輻射方向軸比Axial Ratio≤2 dB,f0=1.616 GHz時 3 dB波瓣寬度為115°,f0=2.491 GHz時3 dB波瓣寬度為120°。

3.2 實驗結果

根據天線的設計和仿真尺寸,加工出小型化微帶天線的實物樣件,樣件尺寸為48 mm×48 mm,并對樣件進行了電測量,圖5為雙頻雙圓極化微帶天線的實物樣件和使用HP8753D矢量網絡分析儀測量天線的電壓駐波系數(VSWR)的測試結果。

由圖5可以看出天線在工作頻率1.616 GHz時,其電壓駐波比為1.3。工作頻率為2.491 GHz時,其電壓駐波比為1.6,滿足了設計要求 。

在微波暗室遠區條件下,采用自制的天線遠場自動測量系統在=1.616 GHz和=2.491 GHz時,對該天線的輻射方向圖進行了實測,測試結果如圖6和表1所示,其中0度方向為天線輻射面法線方向[9]。

表1 天線3 dB軸比波束寬度數據表

圖6的電測試結果和表1表明,天線在兩個工作頻率點,在很寬的波束寬度范圍內有很好的圓極化特性。

4.結 論

研究了小型化雙頻雙圓極化微帶天線的設計方法,通過采用疊層天線的設計思路使天線工作在兩個離散的頻率點產生不同極化的圓極化波,并通過使用高介電常數減少天線尺寸和展寬波束寬度,增加天線對稱結構改善圓極化特性,然后根據Ansoft HFSS軟件仿真優化出的結構尺寸,加工了天線樣件,樣件尺寸為48 mm×48 mm,其電測的結果也滿足了設計指標的要求,該天線已經用于工程實際,有很高的實用推廣價值。

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