一種曲折L型探針饋電的雙極化貼片天線端口隔離度研究

李 磊

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210003）

0 引言

雙極化天線是在1996年的IEEE天線和傳播年會(huì)上首次被列為一類研究課題的，它除了保留了微帶天線體積小、重量輕、易共形、易于集成等優(yōu)點(diǎn)外還具有其特有的優(yōu)點(diǎn)，即：頻率復(fù)用、收發(fā)一體化、極化分集和極化捷變。

正是基于雙極化所特有的優(yōu)點(diǎn)以及其所具有的的廣泛前景，越來越多的人在從事這方面的研究工作。衡量雙極化天線的指標(biāo)除了傳統(tǒng)微帶天線的衡量指標(biāo)如：增益、帶寬、波束寬度、前后比外，更重要的性能指標(biāo)是端口隔離度和交叉極化電平。當(dāng)前研究最多的是饋電方法就是口徑耦合饋電[1－2],Vivek用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了H型耦合槽可以得到較大的耦合量，根據(jù)這個(gè)理論文獻(xiàn)[3－4]提出了在接地板上開H型槽給端口饋電，這種方法增加了帶寬和隔離度。文獻(xiàn)[5]在此基礎(chǔ)上提出了將兩個(gè)H縫隙改為T型縫隙，帶寬和隔離度都有所提高，但是交叉極化特性一般。以上研究都是基于提高帶寬，導(dǎo)致隔離度很難高于30dB。

本文在分析研究了現(xiàn)有的雙極化微帶天線饋電方式基礎(chǔ)上，從提高端口收發(fā)隔離度和降低交叉極化電平出發(fā)，研究出了一種新型L型探針饋電的雙極化微帶貼片天線。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 側(cè)視圖

該天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下往上看整個(gè)天線結(jié)構(gòu)分為五層：第一層是長為LGND=250mm的方形金屬接地板；第二層是厚度h2=10mm的空氣層；第三層是邊長為a=137mm的輻射貼片；第四層是邊長為b=180mm，厚度為h1=2mm，介電常數(shù)為2.65的方形介質(zhì)基板；第五層是L型探針末端的曲折微帶條。具體參數(shù)如表1所示。第一層金屬接地板和第四層介質(zhì)基板之間采用塑料支撐柱支撐。探針的曲折微帶條和輻射貼片分別位于介質(zhì)基板上下兩側(cè)，能量通過L形探針傳到曲折形微帶條，并與下方的貼片耦合將能量輻射出去。這樣設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)好處：一是貼片上方的介質(zhì)基板可以起到天線罩的保護(hù)作用；二是這種曲折微帶條結(jié)構(gòu)可以增加端口間隔離度。

圖2 俯視圖

圖3 端口輸入阻抗頻率特性圖

表1 天線仿真參數(shù)

2 天線仿真與結(jié)果分析

由圖3可以看出該天線在中心頻率915MHz點(diǎn)處，端口輸入阻抗實(shí)部接近50歐，虛部感抗值接近于0亨，說明天線端口幾乎達(dá)成匹配狀態(tài)。從圖4中端口S11曲線可以看出天線的中心頻率在915MHz附近，在電壓駐波比VSWR＜1.5(S11＜-14dB)時(shí)，天線的工作頻段為907MHz～929MHz,相對(duì)帶寬為2.4%；從S21曲線可以看出在天線工作頻帶內(nèi)S21＜-37dB，也就是端口間隔離度好于37dB，在中心頻率附近端口隔離度達(dá)到最高，超過了42dB。該天線的端口隔離度性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了工程要求的20dB。由圖5端口的E面(x-z)圖可看出，該天線輻射方向上的交叉極化電平小于-35dB；由圖6端口的H面(y-z)圖可看出，該天線輻射方向上的交叉極化電平小于-20dB。也就是說天線端口的交叉極化滿足工程要求（-20dB以下）。

圖4 反射系數(shù)和隔離度隨頻率變化

圖5 端口的E面(x-z)圖

3 結(jié)論

本文提出了一種中心頻率為915MHz的新型曲折L型探針饋電的雙極化貼片天線結(jié)構(gòu)，并用HFSS仿真軟件對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算。本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的L形探針饋電方法，采用了曲折微帶條作為同軸線末端饋電結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)可以較大程度上提高雙極化天線兩端口間隔離度。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，這種新型結(jié)構(gòu)的雙極化天線駐波比 VSWR＜1.5(S11＜-14dB)時(shí)的相對(duì)帶寬為2.4%，帶內(nèi)隔離度為37dB，具有較高的端口收發(fā)隔離度；而且天線輻射方向上的交叉極化電平小于-20dB，滿足工程需要，這種微帶結(jié)構(gòu)可以用于射頻識(shí)別讀寫器天線。

圖6 端口的H面(y-z)圖

隨著科技的快速發(fā)展，在小型化，多頻段，寬帶寬，高隔離，低交叉極化等方面對(duì)雙極化天線提出了更高的要求，所以接下來的工作中，我們還可以在小型化和帶寬方面對(duì)該天線做進(jìn)一步的改進(jìn)。

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