一種順序相移的超寬帶饋電網絡

劉耀坤, 劉淑芳, 梁碩毅, 史小衛

(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)

0 引言

隨著時代的進步,各類通信設備所處的電磁環境愈加復雜,在有限空間內面臨的干擾日益增多。圓極化天線具有可接收任意極化形式的電磁波,且其輻射的電磁波可以被任意極化的天線接收的特點。在通信系統中采用圓極化天線,能夠通過分析回波信號的相位相關性,獲取目標的散射極化矩陣,相比采用線極化天線更具優勢。因此圓極化天線在無線通信、衛星通信、無線局域網等通信系統中得到了廣泛的應用[1-2]。超寬帶(ultra-wideband,UWB)技術被認為是新一代短距離、低功耗、高數據速率無線通信的理想選擇,它的數據傳輸速率可以高達幾百兆比特,大帶寬的窄脈沖信號也使精確測量終端之間的距離成為可能[3]。因此研究超寬帶圓極化天線具有重要的意義。

將超寬帶天線單元進行順序旋轉組陣是形成超寬帶圓極化天線的常用技術,其中超寬帶饋電網絡是其設計難點。本文設計了一款適用于八單元順序旋轉圓極化天線陣列的超寬帶圓極化饋電網絡,可對順序旋轉天線陣列進行饋電,實現超寬帶圓極化性能。

1 饋電網絡設計

八單元陣列天線空間分布如圖1所示。若陣列8個端口(P1～P8)輸入的信號等幅且相位按順序依次增加45°,則此天線陣為圓極化陣。饋電網絡的組成如圖2所示。該網絡由1個180°功率分配器,2個3 dB分支線耦合器,4個威爾金森功分器和4個45°移相器組成。理想情況下,8個端口輸出信號的幅度大小相等,相位按順序超前或滯后45°,依次分別為0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°。

圖1 陣列天線空間分布

圖2 饋電網絡組成示意圖

180°功率分配器的拓撲結構如圖3所示。該功率分配器具有金屬層-介質層-金屬層的結構,頂層為3個微帶線與扇形相結合的金屬貼片,底層為金屬地板,地板上開有細長矩形與扇形組合成的槽[4]。信號通過端口A1輸入,通過調整頂層金屬層上的微帶結構與底層地板上縫線之間的耦合,使得A2與A3兩個端口的輸出信號等幅,且相位差為180°。采用扇形結構可以實現更好的阻抗匹配,從而有效展寬工作頻帶。

圖3 180°功率分配器結構示意圖

3 dB耦合器結構如圖4所示。該耦合器具有5層結構,即金屬層-介質層-金屬層-介質層-金屬層,其中金屬層結構如圖4(a)所示。頂層金屬層由微帶線與耦合結構連接而成,底層金屬層結構與頂層金屬層結構相同。為了實現更好的匹配,耦合結構采用一個中心橢圓結合兩端小橢圓的形式。中間金屬層作為公共接地板,在其上刻蝕有3個橢圓組合成的耦合槽,頂層金屬層與底層金屬層通過該槽實現電磁能量耦合[5]。信號從端口B1輸入,通過中間耦合部分使得端口B2與B3輸出的信號幅度相等,且B2輸出信號相位相對于B3滯后90°,端口B4為隔離端口。

圖4 3 dB耦合器結構示意圖

超寬帶威爾金森功分器結構如圖5所示。該功分器采用了7節級聯的形式,根據多節切比雪夫阻抗變換器的基本原理可得到每一節微帶線的阻抗值。每節微帶線的長度均為所設計的功率分配器的中心頻率的四分之一波長,計算出各節微帶線的寬度即可設計出相應的功分器[6]。功分器每節之間都并接一個隔離電阻,合適的隔離電阻確保了各端口之間具有較高的隔離度,從而盡可能減小端口間的相互干擾。信號從端口C1輸入,可在較寬頻帶內實現端口C2與C3信號等幅同相輸出。

圖5 超寬帶威爾金森功分器示意結構圖

45°移相器的結構與3 dB耦合器的結構相似,同樣為金屬層-介質層-金屬層-介質層-金屬層的5層結構,如圖6所示。移相結構由3個部分組成,頂層金屬層由微帶線、橢圓形貼片與小矩形貼片(調節相位平衡)構成,中間的公共接地板上開有橢圓形與兩個小矩形的槽,底層金屬層構成與頂層相似[7],如圖6(a)所示。從移相器的端口D1與D3輸入信號,頂層與底層的微帶貼片通過公共接地層的槽進行耦合,使端口D2與D4輸出的信號幅度相等且相位相差45°。

圖6 45°移相器結構示意圖

2 饋電網絡仿真

采用仿真軟件Ansoft HFSS 19.0對饋電網絡進行建模仿真并優化設計。180°功率分配器、3 dB耦合器、威爾金森功分器和45°移相器構成了圓極化饋電網路,布局如圖7所示。

圖7 饋電網絡整體結構圖

選用聚四氟乙烯玻璃布板作為介質層,其損耗角正切值為0.000 9,相對介電常數為2.65,基板厚度為0.5 mm。信號由端口P0輸入饋電網絡,從端口P1～P8輸出。當輸入端口激勵時,饋電網絡的回波損耗|S00|的仿真結果如圖8所示。以端口P1的輸出信號作為參考,比較各個端口輸出信號傳輸系數及相位的一致性,仿真結果如圖9和圖10所示。

圖8 |S00|仿真結果

圖9 各端口傳輸系數仿真結果

圖10 各端口輸出相位仿真結果

從仿真結果可以看出,當輸入端口激勵時,饋電網絡的|S00|在(3.9～10.1)GHz頻帶內小于-11.7 dB,具有良好的匹配特性,插入損耗小于3.1 dB并且8個輸出端口的幅度起伏小于1.4 dB,相位差在±4.4°以內。

3 饋電網絡實物測試

根據電路圖進行投版加工,介質板選用聚四氟乙烯玻璃布板,介電常數為2.65,基板厚度為0.5 mm,微帶線覆銅的厚度為0.035 mm,得到的實物元件如圖11～圖13所示。

圖11 180°功率分配器實物圖

圖12 3 dB耦合器實物圖

圖13 超寬帶威爾金森功分器與45°移相器組合實物圖

將各個元件級聯后采用安捷倫矢量網絡分析儀進行測試,得到饋電網絡的|S00|及各個端口的傳輸系數和相位并作數據處理,結果如圖14～圖16所示。

圖14 |S00|實測結果

圖15 各端口傳輸系數實測結果

圖16 各端口輸出相位實測結果

從測試結果可以看出,當輸入端口激勵時,饋電網絡的|S00|在(3.9～10.1)GHz頻帶內小于-11.3 dB,具有良好的匹配性。在整體頻段內,插入損耗小于3.2 d B,8個輸出端口的幅度起伏小于2.33 dB,相位差在±7.3°以內。由于加工精度與電阻焊接工藝的原因,實測結果與仿真結果有一定差距,但是該網絡仍具有幅相特性良好的優點,滿足激勵八單元陣列天線產生圓極化的要求。

4 結束語

本文使用180°功率分配器、3 dB耦合器、威爾金森功分器與45°移相器,構建了一種超寬帶順序相移饋電網絡。測試結果表明,在(3.9～10.1)GHz的頻帶內,饋電網絡的回波損耗、傳輸系數及相位特性良好,可以較好地滿足順序旋轉饋電的要求。