基于十字形縫隙耦合的寬帶圓極化微帶天線設(shè)計

摘 要： 為了改善微帶天線的帶寬性能，提出了一種采用十字形縫隙作為饋電方式，利用三個Wilkinson功分器組成饋電網(wǎng)絡(luò)的寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計方法。討論了構(gòu)建這種微帶天線的基本技術(shù)，借助HFSS仿真軟件進(jìn)行設(shè)計和驗(yàn)證。依據(jù)設(shè)計結(jié)果委托專業(yè)研究所制作了實(shí)物天線，測試結(jié)果表明，該天線的阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬分別達(dá)到40.38%和20.7%，中心頻率為2.6 GHz，測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，為低后瓣和寬帶圓極化微帶天線設(shè)計提供了一種新的工程設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞： 微帶天線； 圓極化； 縫隙耦合； Wilkinson功分器

中圖分類號： TN821?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0077?03

0 引 言

隨著雷達(dá)，衛(wèi)星通信，遙感等技術(shù)的發(fā)展，微帶貼片天線被廣泛地應(yīng)用于蜂窩電話、全球定位系統(tǒng)和個人移動通信。由于其低成本，低剖面，易集成，結(jié)構(gòu)緊湊，易于制造等諸多優(yōu)點(diǎn)，微帶天線在各個領(lǐng)域倍受青睞。但傳統(tǒng)的微帶天線也有頻帶窄，效率低，功率容量小等缺點(diǎn)[1?2]。

D.M.Pozar于1985年提出縫隙耦合饋電的微帶天線[3]，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：縫隙耦合方式采用的是非接觸的貼近式饋電，避免了傳統(tǒng)探針饋電中引入的電感，并且在制造加工方面更為簡單，也為多層介質(zhì)、多層貼片以及構(gòu)造天線陣提供了便捷；地平面存在于天線輻射層和饋電層之間，隔離了微帶電路部分和天線輻射層，降低了饋電網(wǎng)絡(luò)部分的輻射，也便于兩部分分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；調(diào)節(jié)縫隙的尺寸和微帶枝節(jié)透過縫隙的長度一般可以獲得滿意的匹配，并且縫隙相當(dāng)于一匹配網(wǎng)絡(luò)[4]，可以提供寬頻帶的駐波比特性。Vivek等人對不同縫隙的耦合情況作了分析計算[5]；除了縫隙耦合之外，多層貼片的堆疊設(shè)計也可增加天線帶寬[6]。

為了產(chǎn)生圓極化，一般有單饋[7]和多饋兩種方式，而多饋方式中一般又分為雙饋和四饋。在縫隙耦合的微帶天線中，雙饋的方式一般是采用兩條偏置的相互垂直的縫隙[8]，四饋則可以采用十字縫隙來饋電[9]。通常來說，單饋點(diǎn)的圓極化微帶天線工作帶寬較窄，兩條偏置縫隙由于他們的不對稱性會造成更高的交叉極化率，而十字縫隙耦合則可以較好地克服上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)較為理想的圓極化。

本文設(shè)計了一種十字形縫隙耦合的圓極化微帶天線，貼片單元采用四路同時饋電，因而具有更好的對稱性與穩(wěn)定性；饋電部分采用3個Wilkinson功分器來實(shí)現(xiàn)幅度相等、相位正交的饋電。

1 天線設(shè)計

本文所設(shè)計天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1，圖2所示，主要由微帶天線和饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，各部分參數(shù)符號已在圖中標(biāo)注。在十字縫隙的四個枝節(jié)處，分別有微帶線對其耦合饋電，這四個耦合點(diǎn)由于功率相等，相位順次相差90°，因此可得到較好的圓極化性能。微帶線介質(zhì)層采用較小的厚度和較高的介電常數(shù)，以增強(qiáng)介質(zhì)對場的束縛來減小背向輻射和爭取更多的走線空間。上層輻射層介質(zhì)采用較厚的厚度和較低的介電常數(shù)來增加帶寬。除了上方的輻射方向，天線的四周用金屬腔包圍，起屏蔽和抑制后向輻射的作用。

圖1，圖2中[L]為貼片尺寸；[h1]為輻射層高度；[εr1]為輻射層介電常數(shù)；[Wa]為縫隙寬度；[La]為縫隙長度；[Ls]為匹配枝節(jié)長度；[d0]為兩相對饋電點(diǎn)的距離；[w]為微帶線寬度；[h2]為微帶線層高度；[εr2]為微帶線層介電常數(shù)。

根據(jù)傳輸線理論，縫隙在一定程度上相當(dāng)于槽線，能量首先從微帶線耦合至槽線，再耦合到貼片輻射出去，因此調(diào)節(jié)縫隙的尺寸對于調(diào)節(jié)輸入阻抗有較為明顯的作用，縫隙長度增加，諧振頻率下降，而調(diào)節(jié)縫隙寬度造成的變化不明顯，且為了保證低的后向輻射，應(yīng)選擇一個較細(xì)的寬度。貼片在饋電處呈現(xiàn)的導(dǎo)納則與貼片的尺寸和輻射層的高度有關(guān)。

為了不在正交的縫隙中產(chǎn)生激勵，必須對十字縫隙進(jìn)行平衡饋電，文獻(xiàn)[10]中Pozar對這種饋電方式介紹了一種一般的方法，借用這種設(shè)計方法并在仿真軟件中加以實(shí)現(xiàn)。饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。饋電點(diǎn)的位置決定了耦合方式為磁耦合，由于對稱相消的原因，某端口不會對相鄰端口產(chǎn)生影響，但是能量會耦合到對面的端口，從而造成輸入阻抗的改變，因此引入等效阻抗參數(shù)，定義如下：

由上式可知，在考慮端口匹配情況時，不再是原本一般情況下的S11，而是要[Γeff]達(dá)到最小值。因此，在HFSS等軟件中進(jìn)行仿真設(shè)計時須注意，應(yīng)使其S11與S13的和為最小值才能達(dá)到總反射最小的目的。

為了方便優(yōu)化，輻射層和饋電網(wǎng)絡(luò)可以分開進(jìn)行設(shè)計，利用HFSS.v13全波電磁仿真軟件，可以較準(zhǔn)確地得到結(jié)果。首先，對天線部分進(jìn)行設(shè)計，通過調(diào)節(jié)縫隙長度，貼片尺寸，耦合饋電點(diǎn)的位置，以及微帶枝節(jié)的長度，來使Γeff在工作頻點(diǎn)處得到一個較小的值和一個較理想的帶寬，可以認(rèn)為此時天線有一個較好的匹配。然后，對一分四微帶饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，通過合適的微帶線長度來合理設(shè)計威爾金森功分器和相位延長線，從而在四個端口獲得幅度相等，相位相差90°的輸出信號。

2 仿真及測試結(jié)果分析

通過在HFSS中優(yōu)化，得出具有最佳性能的參數(shù)見表1。

圖4為該優(yōu)化參數(shù)下的天線加工實(shí)物。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A測試其駐波比特性，與仿真結(jié)果的對比如圖5所示，駐波比帶寬達(dá)到了40.38%。方向圖的測量結(jié)果如圖6所示，由于采取了屏蔽殼體，后向輻射得以減少。圖7，圖8分別為天線的軸比和增益曲線，他們的性能在偏移中心頻率以外急劇下降，這是由于饋電網(wǎng)絡(luò)屬于頻變電路，隨著波長改變，微帶介質(zhì)層中的功分器電路，相移電路以及匹配電路性能出現(xiàn)較嚴(yán)重的下降，因此優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)的帶寬性能顯得尤為重要。另外，由于采用了多個功分器網(wǎng)絡(luò)，引入了較多的損耗因素，因此增益與傳統(tǒng)微帶天線相比略有下降，但是提高了對稱性和相位中心的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

本文探討了一種十字形縫隙耦合饋電微帶天線的設(shè)計方法，利用HFSS軟件仿真并制作了實(shí)物，測試結(jié)果表明阻抗帶寬和軸比帶寬分別達(dá)到40.38%和20.7%，前后輻射比超過25 dB，實(shí)現(xiàn)了低后瓣和寬帶圓極化天線的設(shè)計。

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