共口徑雙圓極化微帶天線

程春霞, 羅麗燕

(1. 西安電子科技大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710126;2. 桂林電子科技大學(xué)認(rèn)知無線電與信息處理省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

圓極化天線具有抗衰減、抗多徑干擾[1]、抗多徑反射等優(yōu)點(diǎn),在無線通信特別是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。圓極化天線可以采用輻射貼片上的縫隙微擾[2]、切口微擾[3]、激發(fā)TM11正交兼并模式[4]與90°相位差正交饋電[5-7]的方式產(chǎn)生圓極化輻射。為了展寬圓極化帶寬,可采用多饋點(diǎn)[8-9]、閃電縫隙加載[10]、半圓縫隙加載[11]、寄生單元[12]、短路負(fù)載產(chǎn)生多模[13]、平面微帶L型探針饋電[14]、輻射貼片疊層[15]等措施。

雙極化可提供雙傳輸信道,從而提高通信容量[16],因此極化分集在緊湊系統(tǒng)中的應(yīng)用要多于空間分集。很多文獻(xiàn)對(duì)單饋點(diǎn)極化分集進(jìn)行了研究,利用壓電換能器(piezoelectric transducer,PZT)切換介電微擾器的電壓實(shí)現(xiàn)雙圓極化[17],用二極管控制輻射貼片與其截?cái)嘟屈c(diǎn)之間的連接狀態(tài)[18]、U形槽的臂長(zhǎng)[19]、地板縫隙電流的路徑[20-21]和輻射貼片E形槽上的電流[22]實(shí)現(xiàn)雙圓極化。但是,PZT和二極管都需要外加電壓或偏置電路,增加了天線的復(fù)雜性。因此,出現(xiàn)了雙端口雙圓極化天線。比如:十字耦合槽饋電[23]、3 dB混合耦合器[24-26]、T型功分器順序相差饋電網(wǎng)絡(luò)[27]和奇偶模饋電模式[28]都可實(shí)現(xiàn)雙圓極化。而為了實(shí)現(xiàn)天線尺寸的小型化可采用耦合器和天線背靠背[29]的幾何結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)了一種用于2.4 GHz無線通信系統(tǒng)的共口徑四饋雙圓極化貼片天線,4個(gè)饋電探針分別與4個(gè)T形枝節(jié)加載的三角形貼片相連,饋電網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)威爾金森功分器和兩個(gè)環(huán)形電橋[30]饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。當(dāng)饋電網(wǎng)絡(luò)4個(gè)輸出端口的相位依次相移90°時(shí),天線就會(huì)輻射圓極化波。天線的整體尺寸為0.7λ0×0.7λ0×0.02λ0,具有較低的剖面尺寸,較寬的可用圓極化帶寬,法向?qū)ΨQ性的輻射方向圖。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由兩層相同尺寸的FR4基板構(gòu)成,其中h1=h2=1 mm、εr1=εr2=4.5、Lsub=90 mm。在上層基板的頂層印有4個(gè)T形枝節(jié)加載的三角形輻射貼片,每個(gè)輻射貼片通過一個(gè)探針與饋電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)輸出端口相連。輻射貼片的長(zhǎng)度Lpatch=65 mm,輻射貼片之間的縫隙寬度W3=1.2 mm,其他尺寸L1=8.1 mm、W1=1 mm、W2=1.45 mm。兩層基板中間為接地層,4個(gè)探針穿過接地層與最底層的饋電網(wǎng)絡(luò)相連,通過控制相鄰貼片單元的相位差來實(shí)現(xiàn)不同的圓極化方式。當(dāng)天線相鄰端口的饋電相位按順時(shí)針方向(Pout1→Pout4→Pout3→Pout2)依次滯后90°時(shí)為左旋圓極化(left-hand circular polarization, LHCP);反之相鄰端口按順時(shí)針方向相位依次超前90°饋電時(shí)為右旋圓極化(right-hand circular polarization, RHCP)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna geometry

1.2 功分器設(shè)計(jì)及其性能

本文中的天線通過最底層的饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了RHCP/LHCP所需的相移,該饋電網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)輸入端口、4個(gè)輸出端口,如圖2所示。饋電網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)180°相移的威爾金森功分器和兩個(gè)90°相移的環(huán)形電橋構(gòu)成。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Feed network

以一個(gè)環(huán)形電橋?yàn)槔?介紹其設(shè)計(jì)思路。如圖3所示,其中Pga1、Pgb1分別與兩個(gè)不同威爾金森功分器的一個(gè)輸出端口相連,因此Pga1、Pgb1需要相互隔離。Pout1、Pout4通過探針與輻射貼片相連,不同端口輸入時(shí)這兩個(gè)端口輸出信號(hào)的相位需要超前或滯后90°。Pga1和Pgb1的隔離、Pout1和Pout4的相位差均通過微帶線的移相來實(shí)現(xiàn)。由圖3可知,C點(diǎn)經(jīng)過A點(diǎn)到B點(diǎn)、C點(diǎn)經(jīng)過B點(diǎn)到D點(diǎn)兩條路徑微帶線的電長(zhǎng)度分別為λg/2、λg,因此Pga1與Pgb1之間兩個(gè)路徑信號(hào)的相位差為180°,兩路信號(hào)等功分比即可相互抵消,Pga1和Pgb1相互隔離。由C點(diǎn)到A點(diǎn)、C點(diǎn)到B點(diǎn)的電長(zhǎng)度可知,Pga1輸入時(shí)B點(diǎn)相位滯后A點(diǎn)180°,由于L1的電長(zhǎng)度比L2長(zhǎng)λg/4,因此端口Pout1的相位滯后Pout4端口90°。由圖3中D點(diǎn)到A點(diǎn)、D點(diǎn)到B點(diǎn)的電長(zhǎng)度可知,Pgb1輸入時(shí)A點(diǎn)和B點(diǎn)同相位,由于L1的電長(zhǎng)度比L2長(zhǎng)λg/4,因此端口Pout4的相位滯后Pout1端口90°。由環(huán)形電橋輸出端口相位關(guān)系、威爾金森功分器輸出端口相位差可知:當(dāng)端口1(Pin1)饋電時(shí),輸出端口4(Pout4)比輸出端口1(Pout1)滯后90°,輸出端口3(Pout3)比輸出端口4(Pout4)滯后90°,輸出端口2(Pout2)比輸出端口3(Pout3)滯后90°,即Pout1→Pout4→Pout3→Pout2相位依次滯后90°;當(dāng)端口2(Pin2)饋電時(shí)Pout3比Pout2滯后90°,Pout4比Pout3滯后90°,Pout1比Pout4滯后90°,即Pout2→Pout3→Pout4→Pout1相位依次滯后90°,也就是Pout1→Pout4→Pout3→Pout2相位依次超前90°,可提供左旋/右旋圓極化激勵(lì)所需的相位差。為了驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)圖2所示的功分器進(jìn)行建模仿真,結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)和圖4(b)可以看出,端口1饋電時(shí),4個(gè)輸出端口的相位按Pout1→Pout4→Pout3→Pout2依次遞減90°,端口2饋電時(shí),4個(gè)輸出端口的相位按Pout1→Pout4→Pout3→Pout2依次遞增90°,與理論分析的左旋/右旋圓極化激勵(lì)4個(gè)輸出端口的相位差一致。

圖3 環(huán)形電橋Fig.3 Ring bridge

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的相移Fig.4 Phase shift of output port in feed network

2 仿真與測(cè)試結(jié)果

天線實(shí)物的輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 天線實(shí)物Fig.5 Antenna prototype

圖6給出了兩個(gè)天線端口的S參數(shù)。由圖6可知,實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果的一致性較好,中心頻點(diǎn)S11可達(dá)-35 dB,在2.4～2.48 GHz頻段內(nèi)的S11小于-15 dB,說明該天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的匹配較好;2.4～2.48 GHz頻段內(nèi)的S12小于-15 dB,即兩個(gè)端口的隔離度大于15 dB。

圖6 天線端口S參數(shù)Fig.6 S-parameters of antenna port

圖7給出了天線的軸比和增益。由圖7可知,該天線的3 dB軸比帶寬為2.36～2.56 GHz,即8.2%;在工作頻段2.4～2.48 GHz內(nèi),端口1的軸比小于2 dB;端口2的軸比小于1.5 dB;端口1的平均圓極化增益為-1.3 dBic,端口2的平均圓極化增益為-1.6 dBic。

圖7 天線軸比和增益對(duì)比Fig.7 Comparision of axial ratio and gain

天線端口1、端口2的xoz面和yoz面輻射方向圖如圖8所示。從圖8中可以看出,端口1為L(zhǎng)HCP,端口2為RHCP,在3 dB波束寬度內(nèi)交叉極化比主極化低-20 dB以上。此外,由于采用了四饋點(diǎn),輻射方向圖的對(duì)稱性非常好。

圖8 輻射方向圖Fig.8 Radiation patterns

本文所設(shè)計(jì)的天線與其他雙端口共口徑天線性能對(duì)比如表1所示。本文所設(shè)計(jì)的天線與同類型相近尺寸的天線相比軸比帶寬較寬,兩個(gè)端口之間的隔離度較好。但是由于饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶線較長(zhǎng),FR4介質(zhì)板的損耗較大,因此本文中天線的增益較低。文獻(xiàn)[15]由于采用了寄生貼片和空氣介質(zhì),其帶寬較寬、增益也較高,但是剖面較高。

表1 天線性能比較

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種緊湊的雙圓極化微帶貼片天線,該天線由T形枝節(jié)加載的4個(gè)三角形輻射單元和一分四的饋電網(wǎng)絡(luò)組成,饋電網(wǎng)絡(luò)4個(gè)輸出端口通過探針穿過地板層給上層的4個(gè)輻射單元饋電,其尺寸為0.7λ0×0.7λ0×0.02λ0,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要額外的直流偏置電路,在共口徑的情況下,可以產(chǎn)生兩種正交的圓極化輻射。仿真和測(cè)量結(jié)果表明在2.4～2.48 GHz頻段內(nèi)匹配較好,具有良好的圓極化性能。采用了四饋電結(jié)構(gòu),其方向圖對(duì)稱性較好,適用于2.4 GHz頻段的無線局域網(wǎng)的應(yīng)用,在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)可采用低損耗板材,以減少饋電網(wǎng)絡(luò)損耗提高天線增益。