寬帶寬波束圓極化微帶八木天線

寬帶寬波束圓極化微帶八木天線

葉喜紅1何芒2周平源2

(1.天津理工大學中環信息學院電子信息工程系，天津 300380；2.北京理工大學信息與電子學院,北京 100081)

摘要提出了一種具有兩級雙貼片引向器結構的雙饋圓極化微帶八木天線．通過移除部分接地板結構,有效地增大了天線在端射前向的圓極化增益和波束寬度．等幅異相的同軸雙饋模式使得該天線具有較寬的工作頻帶．數值仿真與實驗結果表明:該天線同時滿足駐波比RVSW≤1.5及端射方向軸比RA≤3 dB的相對帶寬為11%．天線在俯仰面仰角0°至80°的范圍內具有良好的圓極化輻射特性,方位面主極化半功率波瓣寬度達到88°,同時具有較高的輻射前后比．良好的工作特性表明此天線可作為機載或彈載通信的備選天線．

關鍵詞微帶八木天線;端射天線;寬波束;圓極化

中圖分類號TN820.1`+1

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0759-05

AbstractA dual-fed circularly polarized (CP) microstrip Yagi antenna with two-stage double-patch directors is proposed. By removing part of the ground plane, the gain and beamwidth at the end-fire direction is enhanced effectively. Due to the use of the dual-feed with equal amplitude but different phase, broadband CP radiation is realized as well. Numerical and measured results show that the overlapped bandwidth of voltage standing wave ratio less than 1.5 and axial ratio lower than 3 dB at the end-fire direction is about 11%. The proposed antenna has CP radiation from elevation angle 0° to 80° at the elevation plane, while at the azimuthal plane the half power beamwidth is 88° with large front-to-back ratio, which indicates that the proposed antenna is a good candidate for aircraft-or missile-borne communications.

收稿日期：2014-09-07

作者簡介

Broadband wide beam-width circularly polarized

microstrip Yagi antenna

YE Xihong1HE Mang2ZHOU Pingyuan2

(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ZhonghuanInformationCollegeTianjin

UniversityofTechnology,Tianjin300380,Chian；2.SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Key words microstrip Yagi antenna; endfire; wide beam-width; circularly polarized

引言

微帶天線具有低剖面、易共形、易加工、成本低等優點[1],因而在無線通信領域中倍受青睞．在衛星通信、WLAN通信及室內通信系統中,某些時候需要與方位面共形的平面天線能在仰角30°～60°甚至端射方向上實現線極化或圓極化輻射[2]．同時在方位面中還要求天線具有足夠的波束寬度和增益,以保證通信鏈路信號的順暢接收和傳輸．相對而言,圓極化天線能克服極化失配等不利因素從而提高通信的可靠性[3],但其設計難度較線極化天線要大得多．

聯系人： 何 芒 E-mail：hemang@bit.edu.cn

為滿足上述要求,J. Huang提出一種由單個激勵貼片、反射貼片和兩級引向貼片構成的微帶八木天線結構[4-5]．反射和引向貼片的作用類似于普通八木天線或準八木天線的反射和引向振子[6-9],使輻射波束指向由邊射向端射方向傾斜、輻射最大值在仰角50°～60°處．之后,眾多學者對此類微帶八木天線進行了大量的實驗研究和改進,使其得到廣泛的應用．但是,這些天線只能在輻射峰值附近的窄波束范圍內保證圓極化輻射,而端射方向(φ=0°,θ=90°)圓極化惡化、增益小,水平面輻射波束窄． DeJean和Tentzeris將前人研究的各級均為單個貼片的微帶八木天線中的引向貼片替換為具有適當間距的雙貼片結構[10],有效提高了天線的增益和前后比、展寬水平面輻射波束．但是該天線只工作于線極化模式,而且前向增益與增益峰值差值大于8 dB．

為了提高天線端射方向的增益、展寬方位面輻射波束,本文提出一種改進型的多級、多貼片引向的圓極化微帶八木天線結構．該天線具有寬頻帶、前向軸比小的優點,而且天線在端射方向上的增益、水平面波束寬度以及前后比都得到了較大提高．實驗結果表明,該天線同時滿足駐波比RVSW≤1.5以及端射方向軸比RA≤3 dB的相對帶寬為11%,在俯仰角度0°至80°范圍內具有良好圓極化輻射,水平面3 dB波束寬度88°、前后比19 dB,能夠很好地滿足機載或彈載通信天線的需求．

1天線結構及工作特性

1.1天線結構

天線結構如圖1所示,介質基板厚度為h、橫向大小為Ls×Ws,相對介電常數和損耗角正切分別為εr和tanδ.D為源貼片,沿x、y方向大小為Ld、Wd,采用等幅異相的同軸雙饋模式激勵形成圓極化輻射,饋電端口1和2距貼片中心距離分別為fx和fy．R為反射貼片,尺寸為Lr×Wr,與介質板邊緣的距離為gr．間距為S1、尺寸均為Ld1×Wd1的兩個相同貼片D1T和D1B組成了第一級引向器,間距為S2、尺寸均為Ld2×Wd2的貼片D2T和D2B組成第二級引向器．相鄰兩級貼片之間沿x方向的間距為g．

圖1　天線結構

眾所周知,普通微帶天線的波束為邊射,所以微帶八木天線中各級貼片之間空間波耦合效應很小,激勵貼片上的能量主要通過表面波耦合到引向貼片上．故而各級貼片間距應盡量小,且引向貼片不宜超過兩級、反射貼片則不宜超過一個,因為額外增加寄生貼片的數目使天線尺寸增大卻不能更有效改善天線的工作性能．為了使天線輻射圓極化波,兩個饋電端口輸入功率相等、相位差根據實際天線結構尺寸及所用材料的特性決定,通常兩饋電端口相差不是常規雙饋圓極化微帶天線中的90°．

1.2天線地板對天線工作特性影響

為了增大天線前向增益、展寬輻射波束,我們適當切除天線前后端的接地板,使天線最大輻射指向往水平面傾斜,天線前向增益增大、背向輻射減?。瑫r水平面輻射波束變寬,且在該波束范圍內天線的軸比得到很大改善．該設計有效地增強了天線的端射、圓極化特性,這對提高很多機載、彈載通信系統穩定性具有非常重要的實際意義．

天線結構中接地板實際尺寸為(Ls-Lc1-Lc2)×Ws,其中Lc1和Lc2分別為天線前、后端沿x方向被切除部分的長度．為了方便考察天線地板大小對工作特性的影響,利用HFSS進行了詳細的參數分析．

圖2和圖3為天線兩個端口輸入阻抗和5.7 GHz時天線空間輻射特性隨Lc1改變時的變化曲線．

圖2　天線兩端口輸入阻抗隨L c1的變化

(a) xoz面

(b) xoy面 圖3　5.7 GHz時天線輻射特性隨L c1的變化

由圖2可見,Lc1的變化會使端口輸入阻抗發生變化,但均能在較寬頻帶內保持阻抗匹配．圖3為5.7 GHz時天線俯仰面和水平面輻射特性變化曲線,隨Lc1增大,俯仰面內天線增益變化很小但端射方向軸比和后向輻射都有所減小,且水平面內天線增益明顯增大且軸比顯著降低．

圖4所示為Lc2變化時對兩端口輸入阻抗的影響．由圖可見Lc2變化時對兩個天線端口阻抗影響不大,均有良好的阻抗匹配．

圖4　天線兩端口輸入阻抗隨L c2的變化

圖5為5.7 GHz時天線兩個主平面輻射特性隨Lc2改變時的變化曲線.由圖可見,隨著Lc2的增大,天線前向增益由Lc2=0時的-0.3 dBi增大為Lc2=37.9 mm時的2.35 dBi,水平面3 dB波束寬度明顯變寬,而且天線軸比在此波束范圍內顯著減小,但天線輻射的前后比則是隨著Lc2的變化先增大后減小,在Lc2=35.0 mm時最佳．

(a) xoz面

(b) xoy面 圖5　5.7 GHz時天線輻射特性隨L c2的變化

從圖3(b)和圖5(b),看到天線輻射方向圖沒有關于x軸對稱,而是沿逆時針有一定的角度偏移．這是因為沿y軸方向端口2的不對稱饋電造成的,如果要改善這種不對稱性可以在端口2的對稱位置增加一個饋電形成三饋電微帶八木天線結構．

2天線測試結果及分析

天線仿真設計過程中,首先對如圖1所示天線結構參數進行優化,使天線具有最佳工作性能后,為了更方便在實際中應用,兩個饋電端口由一分二等幅異相的Wilkinson功分器[11-12]進行饋電．

圖6為天線加工實物圖,因為板材購買時材料的限制,所用介質基板為FR4,相對介電常數為4.5、損耗角正切為0.02,而仿真時所用的羅杰斯TMM4損耗角正切為0.002,損耗有所增大．功分器輸出端饋電幅度相同、相差100°,所用板材也為FR4,厚度0.6 mm．

圖6　天線實物

圖7和圖8為天線駐波比和端射前向的增益與軸比隨頻率變化曲線．實測駐波比在5.21～5.84 GHz內小于1.5、端射前向軸比在5.25～5.90 GHz內小于3 dB．該天線有效工作頻帶(即同時滿足RVSW≤1.5和RA≤3 dB的頻帶)為5.25～5.84 GHz、相對帶寬約為11%．可以看出,實測數據與仿真結果吻合良好,但增益測量值比仿真偏高,我們認為該差別主要來自介質材料特性的不穩定性以及加工與測量誤差．

圖7　天線駐波測試及仿真結果

圖8　天線端射方向增益與軸比隨頻率的變化

圖9(a)和圖9(b)分別為天線在5.6 GHz時俯仰面與水平面輻射方向圖空間分布．實測增益峰值在仰角55°附近,端射前向增益約0.8 dBi,方位面半功率波瓣寬度為88°(-28°～60°),前后比約19 dB．同時,通過觀察交叉極化知道,在俯仰面10°≤θ≤90°和水平面-34°≤φ≤53°范圍內,具有良好的圓極化特性．實測數據和仿真結果在空間分布上存在一定的角度差,可能是測試結果受到饋電線纜以及轉臺的影響而造成的．

(a) 俯仰面

(b) 水平面 圖9　5.6 GHz時天線輻射方向圖仿真和測試結果

3結論

本文設計了一種等幅異相雙饋結構的端射寬帶寬波束圓極化微帶八木天線．通過適當切除天線前后端接地板,增大天線端射前向增益、展寬輻射波束并有效改善圓極化特性,以滿足現代無線通信系統的需要．天線測試數據與仿真結果吻合良好,同時滿足天線駐波比小于1.5和端射前向軸比小于3 dB的相對帶寬為11%．天線最大輻射方向約在仰角55°附近,且在俯仰面10°≤θ≤90°范圍內具有良好的圓極化特性,水平面半功率波瓣寬度為88°,天線輻射前后比為19 dB左右．該天線能較好地滿足多數機載和彈載等系統數據通信的需求．

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何芒(1976-),男,安徽人,北京理工大學信息與電子學院副教授,博士,博士生導師, IEEE senior member,IEEE Beijing Section獎勵委員會主席．研究方向為計算電磁學及其應用、天線理論與設計．

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