一種寬帶圓極化數(shù)字型縫隙天線的設(shè)計

傅強之

摘要：本文設(shè)計了一種新型的微帶共面波導(dǎo)饋電的圓極化平面縫隙天線。此天線由寬的數(shù)字“0”型縫隙、共面波導(dǎo)饋線和微帶饋電網(wǎng)絡(luò)組成，前兩者都是在介質(zhì)板上表面的金屬上開縫完成，后者則在介質(zhì)板的另一面布線完成。通過合理的設(shè)計微帶饋電網(wǎng)絡(luò)給共面波導(dǎo)饋電 ，可以在其上產(chǎn)生一個奇數(shù)模和一個偶數(shù)模，同時完成兩個模式的90°相位差。通過此微帶與共面波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換電路給縫隙天線饋電從而實現(xiàn)寬帶圓極化天線。詳細研究了圓極化天線的機理和各個參數(shù)對它的影響。通過仿真驗證3dB軸比帶寬可以達到29%，-10dB反射系數(shù)帶寬為53%。

關(guān)鍵詞：縫隙天線;圓極化天線;寬帶

中圖分類號：TN927.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0163-03

0 引言

圓極化天線由于其在發(fā)射和接收電磁波時能夠避免極化損失和縮減多路徑效應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。圓極化的電磁波是由兩個正交的等幅以及相位差90°的電場矢量共同激勵形成，而平面?zhèn)鬏斁€的相位對于工作頻率非常敏感，所以設(shè)計寬帶圓極化天線的一個的難點在于如何在一個寬帶的范圍內(nèi)保證傳輸線輸出兩個相等以及相位差90°的矢量信號。

根據(jù)現(xiàn)有文獻的結(jié)果，有很多貼片的圓極化天線實現(xiàn)方法被提出。微擾技術(shù)是普遍被使用的一種方法，例如支節(jié)加載法、切角法、在貼片上加載縫隙和多種饋電耦合等，但是這種方法所產(chǎn)生的圓極化天線3dB軸比帶寬比較窄。為了提高圓極化天線的工作帶寬，有些文獻提出了多介質(zhì)輻射層。例如帶有兩個空氣層和三個介質(zhì)層的縫隙耦合正方形貼片天線能夠獲得相對9%的3dB軸比帶寬[1];帶有兩個空氣介質(zhì)層，3dB軸比帶寬達到19%的H形狀貼片天線[2];擁有厚的空氣層和階梯T形饋電的正方形貼片天線，3dB軸比帶寬達到30%[3]。但是，這類天線的橫截面都比較高，而且結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜。

通過共面波導(dǎo)給只有一層介質(zhì)板的縫隙平面天線饋電，也是一種被廣泛研究的方法。例如通過L型帶狀線給正方形縫隙天線饋電，帶狀線被放置在正方形的兩個對角線上，此天線可以獲得17%的3dB軸比帶寬[4]。還有通過共面波導(dǎo)給內(nèi)部兩個金屬環(huán)饋電的正方形縫隙天線，其3dB軸比帶寬可以達到17.2%[5]。還有一種采用共面波導(dǎo)給一個正方形縫隙天線饋電從而產(chǎn)生一個雙極化的天線[6]。

本文提出了一種新型微帶共面波導(dǎo)饋電的平面縫隙天線，此天線具有寬帶和圓極化輻射的特點。文中設(shè)計了微帶到共面波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了共面波導(dǎo)奇數(shù)模和偶數(shù)模之間的90°相位差。通過這些奇數(shù)模和偶數(shù)模給一個矩形縫隙天線饋電，可以在一個寬的帶寬內(nèi)實現(xiàn)天線的圓極化輻射。這個圓極花天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工實現(xiàn)，成本低。

1 天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計

圖1為天線結(jié)構(gòu)圖。矩形縫隙的長度和寬度為Ls和Ws，作為輻射窗口被蝕刻在輻射板的上表面。有一個共面波導(dǎo)的金屬帶一直申到縫隙天線的內(nèi)部，給矩形縫隙饋電。天線的另外一面被這微帶饋電網(wǎng)絡(luò)給占據(jù)，微帶網(wǎng)絡(luò)由兩個分支組成。左邊的分支被稱為微帶轉(zhuǎn)共面波導(dǎo)分支，它可以在共面波導(dǎo)縫隙里面產(chǎn)生偶數(shù)模，這種偶數(shù)模能夠激勵矩形縫隙，產(chǎn)生水平極化的電磁波。而另外一個分支橫穿過共面波導(dǎo)的縫隙，在其里面產(chǎn)生一個奇數(shù)模，能夠激勵矩形縫隙產(chǎn)生垂直極化的電磁波。通過合理的優(yōu)化兩個分支的距離和匹配，從而使兩個正交極化的信號同時具有相同幅度和90°相位差，進而實現(xiàn)得圓極化的輻射特性。

整個天線的諧振頻率由Ls和Ws的尺寸決定，B1和B2能夠控制兩個模式的相位差，而通過調(diào)節(jié)L1和L2的尺寸能夠影響兩個分支的阻抗匹配從而影響整個天線的工作帶寬。

2 參數(shù)分析

本文對影響天線軸比和反射系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)進行了深入研究，為后續(xù)加工實現(xiàn)提供了重要的參考意義。

圖2展現(xiàn)了B1對軸比和反射系數(shù)的影響，從圖中可以得出B1主要影響軸比帶寬的兩端，而對反射系數(shù)的影響主要在低頻段，經(jīng)過優(yōu)化，最終確定B1為31.7mm。

圖3展現(xiàn)了B2對軸比和反射系數(shù)的影響，可以得出B2主要影響軸比帶寬的高頻端，而對反射系數(shù)的影響在低頻端，經(jīng)過優(yōu)化，最終確定B2為41.2mm。

圖4展現(xiàn)了L1對軸比和反射系數(shù)的影響，可以得出L1對整個軸比帶寬影響都比較大，而對反射系數(shù)的影響卻比較小，經(jīng)過優(yōu)化，最終確定L1為32mm。

圖5展現(xiàn)了L2對軸比和反射系數(shù)的影響，可以得出L2對天線軸比帶寬和反射系數(shù)影響都比較小，經(jīng)過優(yōu)化，最終確定L2為42.9mm。

3 仿真結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化最終所得天線的軸比和反射系數(shù)曲線如圖6所示，從圖可以得出本文所設(shè)計的天線從1.19GHz至2.05GHz達到了-10dB反射系數(shù)，其相對帶寬達到53.1%。天線的3dB軸比帶寬為1.47GHz～1.97GHz，可以達到29.1%。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型寬帶圓極化天線，并通過仿真驗證此天線具有比較寬的工作帶寬和軸比帶寬。文中提出利用共面波導(dǎo)雙模工作而實現(xiàn)寬帶圓極化輻射的新方法，其原理是利用兩種饋電方法，在共面波導(dǎo)縫隙里同時產(chǎn)生一個奇數(shù)模和偶數(shù)模，通過控制兩個模的幅度和相位差，從而可以獲得比較理想的圓極化輻射波，最終天線小于-10dB的反射系數(shù)帶寬可以達到53%，3dB軸比帶寬可以達到29%。整個天線結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻

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