新型順序旋轉四饋電圓極化疊層微帶天線設計

傅世強,劉 璐,房少軍

(大連海事大學 信息科學技術學院,遼寧 大連 116026)

微帶天線因具有體積小、質量輕、成本低、易集成、結構牢固和工藝簡單等優點[1]得到了廣泛研究,而圓極化微帶天線更是具備抗法拉第旋轉效應和抗多徑反射能力,同時因對極化不敏感具有很好的移動性,被大量應用于衛星通信、衛星定位、射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)和無線能量傳輸系統等多個領域。

微帶天線實現圓極化工作的方法主要包括單饋電法和多饋電法。傳統單饋微帶天線通過幾何微擾形成圓極化,帶寬較窄。為此,諸多學者對帶寬展寬技術進行了研究,比如在單層貼片四周附加寄生貼片并結合電容耦合單饋電技術共同展寬阻抗帶寬[2],通過貼片上切割縫隙并改進L 型地板結構增加圓極化帶寬[3],采用疊層貼片方式改善阻抗匹配和軸比性能[4-5]等。單饋電法實現圓極化主要靠模式分離,因此圓極化性能對幾何尺寸較敏感。采用多饋電法可以顯著改善微帶天線的圓極化性能。文獻[6-7]均采用雙饋電技術,利用一分二T 型功分饋電網絡激勵天線實現圓極化,但雙饋電的不對稱性勢必會使天線輻射方向圖不對稱。文獻[8-9]則提出了一種增加方向圖對稱性的三饋電圓極化微帶天線,由于120°相位差的微帶線饋網帶寬較窄,從而導致天線的軸比帶寬無法實現很寬;文獻[10]采用四饋電技術在帶寬展寬、輻射方向圖對稱上均取得了較好的效果,但存在Wilkinson 饋電網絡結構復雜、尺寸大等問題。而文獻[11-12]簡化了饋電網絡,均使用順序旋轉四饋電的一分四90°功分移相網絡,通過探針給天線饋電,實現了覆蓋超高頻RFID 全球通用頻段,但饋電網絡與天線需要獨立設計,且探針饋電加工麻煩。

通過調研發現,順序旋轉四饋電網絡一般用于陣列天線設計[13-15],尚未在其他文章中出現過四饋電網絡與激勵貼片共面的單元天線結構。所以綜合考慮工藝復雜性和天線性能,本文提出了一款應用于超高頻RFID 頻段讀寫器終端的貼片和饋網一體化設計的圓極化微帶天線。該天線綜合采用多項技術來提高阻抗匹配和改善輻射性能:利用疊層貼片雙峰諧振展寬阻抗帶寬,并在激勵貼片中心開圓孔以進一步調諧天線的阻抗特性;將地板四周折疊,在縮小尺寸的同時減小后向輻射、增加前向增益;通過一分四順序旋轉等功分270°移相網絡對天線共面饋電形成右旋圓極化。對該天線進行了軟件仿真優化和實物加工測試,取得了較好的實驗結果,驗證了方案的可行性。

1 天線結構設計

1.1 單元天線設計

天線主要由激勵貼片、寄生貼片、折疊地板和饋電網絡組成,結構如圖1 所示。下層激勵貼片邊長為L1,蝕刻在相對介電常數εr為2.65、厚度H1為1.5 mm 的F4B 微波材料板上;上層寄生貼片邊長為L2,采用空氣介質并用尼龍柱做支撐,空氣層厚度為H2。兩正方形貼片堆疊,形成雙峰諧振,展寬阻抗帶寬,同時激勵貼片中心開半徑為r1的圓形孔,進一步輔助調諧天線的阻抗特性。天線地板采用四周折疊結構,折疊高度為H3,在不犧牲增益的前提下可減小地板橫向尺寸G。為了實現饋網與激勵貼片共面設計,傳統順序旋轉90°相移線的網絡無法與激勵貼片集成,根據半波長重復理論改進為270°線長則可滿足設計要求,最終實現右旋圓極化。

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna structure

根據疊層微帶天線計算公式(1)～(4)估算貼片初始尺寸L1和L2,以此調諧天線阻抗。

式中:hei、εei分別為介質層有效厚度和等效介電常數;c為自由空間中的光速;fi為雙層貼片對應的諧振頻率,i=1,2。

激勵貼片邊長L1主要調諧低頻阻抗,寄生貼片邊長L2調諧高頻阻抗,二者形成雙峰諧振;空氣層厚度H2調諧兩層貼片的耦合使雙峰均衡并靠近,形成寬阻抗帶寬。為了保證阻抗虛部平坦,進一步調諧阻抗的實部,此時在激勵貼片中心挖掉一個半徑r1的圓孔,通過增加r1尺寸并配合微調L1、L2、H2以增加實部阻抗的大小,如圖2 所示。傳統天線在地板不夠大的情況下,向下輻射的大量電磁波沒有被地板反射,導致天線前后比較差,此時采用折疊地板結構進行改善。折疊地板高度H3主要影響天線的前后比,仿真與分析發現H3比寄生貼片高約5 mm,結果較好,此時前后比為14 dB。若達到相同前后比的條件下,傳統地板的橫向尺寸G是折疊地板結構的1.36 倍,因此折疊地板結構更緊湊。

圖2 有無圓孔結構的各端口無源輸入阻抗曲線Fig.2 The passive input impedance curves of each port with or without round hole structure

1.2 饋電網絡結構設計

四饋電同時激勵時,受端口之間的互耦影響,各端口的有源輸入阻抗與無源輸入阻抗不同。考慮到實際情況,四個端口同時激勵應參考有源阻抗進行后續饋電網絡設計,此時仿真得到端口有源阻抗值100 Ω。順序旋轉饋電網絡結構如圖3 所示,輸入端口1 阻抗為系統阻抗50 Ω,根據傳輸線阻抗匹配理論,按照一分四的功率分配設計各段傳輸線阻抗,能量依次經過270°傳輸線被平均分配到端口2～5 四個輸出端口。各輸出端口等功率輸出,相位依次滯后270°,即0°,-270°,-540°,-810°。根據相位周期性變化的特性,將相位依次轉換為0°,+90°,+180°,+270°,激勵天線產生右旋圓極化波。

圖3 順序旋轉四饋電等功分270°移相網絡Fig.3 Sequentially rotating quad-feed network of equal power-dividing and 270° phase-shifting

分析發現饋電網絡高、低阻抗差別較大,則帶來線的粗細分布不均,為此進行改進。將每段270°微帶線轉換為三段90°微帶線,阻抗33.3 Ω 微帶線變換成57.7,100,57.7 Ω 的三段90°微帶線,如圖4 所示,同樣,阻抗50 Ω 微帶線變換為70.7,100,70.7 Ω 的三段90°微帶線。經仿真驗證,雖然變換后的三段式網絡阻抗帶寬較一段270°網絡的阻抗帶寬略窄,網絡變換前后對天線工作帶寬影響可忽略,但是三段式網絡的線寬布局更合理。

圖4 三段式阻抗變換結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-stage impedance transformation

圖5 給出了網絡各輸出端口幅度和相位差的仿真結果。在840～960 MHz 頻段內四個端口的輸出幅度平坦且均在-6 dB,實現了輸入功率四等分,同時該頻段內S11<-25 dB,表明網絡輸入阻抗匹配良好;915 MHz 中心頻率處相鄰輸出端口相位依次相差90°。

圖5 饋電網絡各端口幅度和相位差仿真曲線。(a)幅度;(b)相位Fig.5 The simulated results of amplitude and phase difference of each port in the feed network.(a) Amplitude;(b) Phase

2 天線仿真與實測

將天線與網絡集成后,采用三維電磁場仿真軟件HFSS 進行天線的建模和仿真。通過大量優化得到天線最佳尺寸:L1=81.8 mm,L2=129 mm,G=187.8 mm,H1=1.5 mm,H2=16.2 mm,H3=23 mm,r1=19.8 mm。根據最佳尺寸加工制作天線,仿真模型如圖6(a)所示,天線實物如圖6(b)所示。

圖6 天線仿真模型及實物。(a)仿真模型;(b)天線實物Fig.6 Antenna simulation model and prototype.(a) Simulation model;(b) Antenna prototype

使用Agilent N5230A 矢量網絡分析儀對天線的S參數進行測試,在微波暗室中對天線的輻射特性進行測量,并與仿真結果作對比。圖7 給出了仿真與實測的S11曲線,由圖可知仿真與實測結果基本吻合,受加工誤差影響實測曲線在880～965 MHz 的頻率范圍內S11<-10 dB,相對帶寬為9.3%。頂點軸比和增益隨頻率變化曲線如圖8 所示,實測軸比小于3 dB 的頻率范圍為895～946 MHz,相對帶寬為5.6%;在圓極化性能滿足要求的頻率范圍內,實測增益均在8 dB 以上。實測天線中心頻率915 MHz 處輻射方向性圖如圖9 所示,在主方向上圓極化性能良好,增益達到8.3 dB,交叉極化鑒別率為19.3 dB。

圖7 仿真和實測的S11曲線Fig.7 Simulated and measured S11 curves

圖8 頂點增益與軸比隨頻率變化仿真和實測曲線Fig.8 Simulated and measured curves of gain and axial ratio varying with frequency

圖9 中心頻率915 MHz 處仿真和實測輻射方向性圖Fig.9 Simulated and measured radiation pattern at a central frequency of 915 MHz

3 結論

本文提出了一款順序旋轉四饋電的右旋圓極化疊層微帶單元天線,將饋電網絡與天線集成一體化設計,并折疊地板以保證天線增益不變的情況下,縮小了天線體積。根據三維電磁仿真軟件HFSS 仿真優化得到的最佳尺寸,加工實物并測試。測試結果表明,該天線在884～969 MHz 頻段內S11<-10 dB,在895～946 MHz 頻段內軸比小于3 dB;在該頻段內天線方向性良好,實測天線增益大于8 dB,仿真與實測結果基本一致。該天線結構緊湊且加工簡易,已成功應用于超高頻RFID 讀寫器終端。也可根據使用頻率改變尺寸應用于其他場合,如需要圓極化天線的衛星通信系統中。