一種新型寬波束雙圓極化天線的設(shè)計(jì)與仿真

陳玉林

(華東電子工程研究所 合肥 230031)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)天線的性能提出了更高的要求。全球定位系統(tǒng)(GPS)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、衛(wèi)星通信、個(gè)人通信(GSM 900/DCS1800)等領(lǐng)域，都需要輕重量、低輪廓、制造簡單的寬波束雙圓極化的天線。

四臂正弦天線(即Sinuous天線)和微帶介質(zhì)天線組合起來可以實(shí)現(xiàn)寬波束雙圓極化的功能［1］。相比于文獻(xiàn)［1］與文獻(xiàn)［2］的設(shè)計(jì)，此單元設(shè)計(jì)有幾大優(yōu)點(diǎn):a.Sinuous天線單元的曲線段為阿基米德曲線，更易實(shí)現(xiàn)且易于構(gòu)造和設(shè)計(jì)，而文獻(xiàn)［1］與［2］中使用的均為較復(fù)雜的曲線段。b.在天線中組合使用了微帶介質(zhì)天線，即通過加寬介質(zhì)板來實(shí)現(xiàn)寬波束輻射。

1 Sinuous天線單元理論分析

1.1 Sinuous天線基本原理

Sinuous輻射單元由介質(zhì)上兩根或四根甚至更多對(duì)稱導(dǎo)體臂在有限空間內(nèi)相互交錯(cuò)構(gòu)成的。正弦曲線由一系列不同長度與旋向的阿基米德曲線段組成。將基本正弦曲線圍繞坐標(biāo)原點(diǎn)順時(shí)針和逆時(shí)針各旋轉(zhuǎn)δ角度，得到兩條曲線，由這兩條曲線圍成的區(qū)域稱為正弦天線的一個(gè)正弦臂，兩臂的相角差為180o，當(dāng)對(duì)兩臂進(jìn)行反相饋電時(shí)，電場在垂直于單元面的軸線方向同相迭加，故電場最大值在天線的法線方向，且兩邊均有能量輻射［3-4］。將一個(gè)正弦臂繞原點(diǎn)分別旋轉(zhuǎn)90o、180o、270o便形成了四臂正弦天線 (見圖1)。一般來說，當(dāng)取δ=22．5o時(shí)，四臂單元為一種互補(bǔ)結(jié)構(gòu)(self-complementary)，其輻射機(jī)理類似于對(duì)數(shù)周期天線，只有在齒長度接近于λ/2或λ/2奇數(shù)倍的區(qū)域?yàn)檩椛鋮^(qū)，齒長小于λ/2的區(qū)域?yàn)閭鬏攨^(qū)［5］。

Sinuous天線共有四個(gè)正弦臂、四個(gè)饋電點(diǎn)。對(duì)相對(duì)兩組正弦臂分別進(jìn)行等幅、反相饋電，每組正弦臂均產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙向輻射的正交線極化波。為了得到圓極化輻射方向圖，可以接入一個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)，使兩個(gè)線極化波束端口產(chǎn)生90o的相移，這樣可以合成左旋或右旋圓極化波［6］。

圖1 四臂正弦天線模型

1.2 微帶介質(zhì)天線基本原理

在微帶天線中引入介質(zhì)天線原理，僅對(duì)微帶天線的結(jié)構(gòu)稍作改變(延伸其介質(zhì)層)，形成一種新型寬波束天線—微帶介質(zhì)天線。該天線在兩主面都有相對(duì)較寬的波束。由于它只延伸了微帶天線的介質(zhì)層，因此該天線基本保持了微帶天線在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 微帶介質(zhì)天線側(cè)視圖

一般介質(zhì)天線由激勵(lì)源和介質(zhì)棒組成，激勵(lì)源一般為同軸線或波導(dǎo)，最大輻射方向在天線的軸向方向。由于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)比空氣大，在介質(zhì)中傳播的電磁波在介質(zhì)和空氣的分界面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，形成介質(zhì)波導(dǎo)，使電磁波沿介質(zhì)傳播，最后在介質(zhì)末端輻射出去。介質(zhì)天線的輻射由激勵(lì)源的輻射和介質(zhì)的輻射合成而成［1］。

通過加寬微帶天線的介質(zhì)襯底，形成由微帶饋電的介質(zhì)天線，從而將微帶天線和介質(zhì)天線組合在一起，使組合后的新天線具有以上兩種天線的輻射特性。當(dāng)能量饋入天線后，一部分由微帶貼片直接輻射，另一部分沿介質(zhì)傳播，在其末端輻射，整個(gè)天線的輻射由這兩部分的輻射疊加而成。由于微帶天線在法向方向輻射最強(qiáng)，而介質(zhì)天線在切線方向輻射最強(qiáng)，因此新天線在垂直和水平方向都有較強(qiáng)的輻射，具有很寬的波束，可以在上半空間提供較均勻的覆蓋。

在文獻(xiàn)［2］中對(duì)普通微帶天線和微帶介質(zhì)天線做了比較，結(jié)果表明，該方法可以顯著地展寬微帶天線波束，提高低仰角增益［2］。

1.3 Sinuous天線的設(shè)計(jì)

由上面理論設(shè)計(jì)出頻率為2.0～2.3GHz的天線。其單臂曲線示意圖如圖5。其結(jié)構(gòu)側(cè)視及俯視圖如圖6～7。因?yàn)榘⒒椎绿炀€的極坐標(biāo)方程式為:r=r0+a(φ-φ0)。其中r為曲線上任意一點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，φ為方位角，φ0為起始角，r0為螺旋線起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，a為常數(shù)，稱為螺旋增長率。Sinuous天線是用很多段阿基米德天線構(gòu)成的。經(jīng)過分析，我們得出Sinuous天線第n段曲線的參數(shù)方程為:

式中，rn為第n段螺旋線起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，an為常數(shù)，稱為螺旋增長率。我們?nèi)ˇ?22.5o=0．4。其中每條臂一共有10條阿基米德曲線段，其中有五條是另外五條線段旋轉(zhuǎn)δ而得到的。下面我們給出Sinuous天線單臂曲線的參數(shù)方程。如圖3，各段曲線的方程如下:

式中:0≤t2≤n2=1.05;r2=r1+a1·n1;a2=3 ?；?:

式中:0 ≤t4≤n4=1.5;r3=r3+a3·n3;a4=3 ?；?:

圖3 Sinuous天線單臂曲線示意圖

線段0的作用是連接兩個(gè)臂。對(duì)于線段1、2、3、4來說，它們做成尖削形狀，是為了減小天線臂上電流的終端反射，以減小“截尾”效應(yīng)。

天線單元由五層構(gòu)成，第一層為大地板，直徑為150mm。其作用是使Sinuous天線單方向輻射;第二層為空氣介質(zhì);第三層為小地板，其作用即為前面提到的展寬波束寬度，小地板的直徑為58mm。第四層為介質(zhì)板，介質(zhì)板的介電常數(shù)為9.6，其目的為減小天線的尺寸，介質(zhì)板的直徑為69mm;最上面一層為Sinuous天線貼片層。另外，我們用四根同軸線分別對(duì)Sinuous天線的四個(gè)臂進(jìn)行饋電，各端口饋電幅值相等，相位兩兩相差90o，即分別為0o、90o、180o、270o。因?yàn)镾inuous天線本身可以產(chǎn)生相互正交的兩個(gè)線極化波，根據(jù)圓極化波的形成原理，我們知道這種饋電滿足形成圓極化的三個(gè)條件。其中饋電幅值相等以及相位兩兩正交可以通過3dB正交電橋來實(shí)現(xiàn)。

2 Sinuous天線仿真結(jié)果

上面我們已經(jīng)詳細(xì)介紹了天線的設(shè)計(jì)過程及各參數(shù)，下面將給出該Sinuous天線的仿真結(jié)果。

圖4 四個(gè)端口的駐波比

圖5 天線在xoz面的輻射方向圖

圖6 天線隨頻率f變化的軸比

由上面對(duì)天線的仿真結(jié)果可以看出，四個(gè)端口的駐波比都在1.76以下，這說明天線四個(gè)端口的輸入阻抗都在50Ω左右;由天線輻射方向圖可以看出，天線在 -66o≤θ≤65o范圍內(nèi)，增益gain≥2dB，所以天線實(shí)現(xiàn)了寬波束特性。由圖6可以看出，在要求的頻帶內(nèi)，軸比都在3dB以下。通過圓極化方向圖也可以看出，圓極化性能很好。

圖7 f=2.3Ghz時(shí)的圓極化輻射方向圖

3 結(jié)論

四臂正弦天線和微帶介質(zhì)天線結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)寬波束與雙圓極化的特性，利用HFSS軟件對(duì)此天線進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線在其工作頻帶內(nèi)有良好的方向圖特性，完全能滿足工程設(shè)計(jì)的需要。

［1］劉瑩，謝擁軍.多層介質(zhì)天線罩的數(shù)值分析［J］. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(3):550-554.

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