一種共面波導(dǎo)饋電寬帶圓極化方形縫隙天線(xiàn)解析

1 引言

由于印刷寬縫隙天線(xiàn)具有寬帶阻抗、單金屬層和易與有源電路集成等優(yōu)點(diǎn)，因而在設(shè)計(jì)軸比帶寬增強(qiáng)的圓極化天線(xiàn)中被越來(lái)越多地選用。通過(guò)在方形縫隙中設(shè)計(jì)微擾結(jié)構(gòu)，這類(lèi)天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)較寬的軸比帶寬。微擾結(jié)構(gòu)包括加載一個(gè)十字型貼片，一個(gè)T型地板金屬帶，一對(duì)L型地板金屬導(dǎo)帶，或從饋線(xiàn)延伸出L型可調(diào)枝節(jié)和一對(duì)地板導(dǎo)帶。

本文提出的寬帶圓極化縫隙天線(xiàn)的微擾結(jié)構(gòu)是在地板的兩個(gè)角的方形導(dǎo)帶上加載E形縫隙。3 dB軸比帶寬可以通過(guò)改變E型縫隙的中間縫隙的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整，最優(yōu)的3 dB 軸比帶寬可達(dá)32.8%，對(duì)應(yīng)中心頻率為2165 MHz，VSWR≤2的阻抗帶寬可以達(dá)到54.8%。

2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

所提出的圓極化縫隙天線(xiàn)如圖1所示。天線(xiàn)印制在邊長(zhǎng)為G=60 mm，介電常數(shù)為，厚度為h=1.6 mm，損耗角正切為的方形FR4基片上。采用50om共面波導(dǎo)饋電，饋線(xiàn)的長(zhǎng)度和縫隙的寬度分別為Wf=4 mm 和g=0.5 mm。伸入到縫隙的輻射單元長(zhǎng)為L(zhǎng)t+g，而后面長(zhǎng)為L(zhǎng)t的線(xiàn)展寬為Wt=8 mm。地板對(duì)角的兩個(gè)方形地板邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2=15 mm，在這兩個(gè)方形導(dǎo)帶上加載E型縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化輻射。E型縫隙的長(zhǎng)和寬都設(shè)計(jì)成L=14 mm，中間縫隙的長(zhǎng)度為L(zhǎng)s，改變Ls可以調(diào)節(jié)天線(xiàn)的3 dB軸比帶寬而幾乎不影響天線(xiàn)的阻抗帶寬。構(gòu)成E型縫隙的每條窄縫隙的寬度都為W=1 mm。圖示的結(jié)構(gòu)將分別在+z和-z方向上激勵(lì)出左旋和右旋圓極化波。

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

如果將對(duì)角上的兩個(gè)方形地板及E型縫隙換到另兩個(gè)對(duì)角上，則將在+z和-z方向上激勵(lì)出右旋和左旋圓極化波。

圖2 Ls不同尺寸時(shí)天線(xiàn)的回波損耗仿真曲線(xiàn)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了說(shuō)明天線(xiàn)的3 dB軸比帶寬可由Ls調(diào)節(jié)，首先研究Ls=0mm時(shí)天線(xiàn)的特性。使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS仿真得到中心頻率為2315.5MHz，3 dB軸比帶寬為26.5%，VSWR≤2的阻抗帶寬為57%（1420-559 MHz）。當(dāng)Ls增加到Ls=7mm仿真得到3dB軸比帶寬增加到31.4%，中心頻率降低到2113 MHz，而VSWR≤2的阻抗帶寬不變，仍為1420-2559 MHz。隨著Ls增加到Ls=8 mm，可實(shí)現(xiàn)較理想的仿真結(jié)果，3 dB軸比帶寬增加到33.4%，中心頻率降低到2088 MHz，而VSWR≤2的阻抗帶寬仍不變。當(dāng)Ls增加到Ls=10 mm，天線(xiàn)的3 dB軸比帶寬為32.2%，而VSWR≤2的阻抗帶寬為和1420-2559 MHz。Ls不同尺寸時(shí)對(duì)應(yīng)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果見(jiàn)表1。圖2為L(zhǎng)s不同尺寸時(shí)對(duì)應(yīng)的回波損耗仿真曲線(xiàn)。圖3為L(zhǎng)s不同尺寸時(shí)對(duì)應(yīng)的軸比仿真曲線(xiàn)。仿真結(jié)果表明Ls可以方便地調(diào)節(jié)天線(xiàn)的3 dB軸比帶寬，但幾乎不影響VSWR≤2的阻抗帶寬。

表1Ls不同尺寸時(shí)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真的3 dB軸比帶寬和仿真的VSWR≤2阻抗帶寬，各參數(shù)為：，這里的中心頻率是指3 dB軸比帶寬的中心頻率

Ls （mm）軸比中心

頻率MHz3 dB AR 帶寬

MHz， %VSWR≤2 阻抗帶寬MHz，%

02315.52009-2622， 26.5%1420-2559， 57%

721131781-2445， 31.4%1420-2559， 57%

820881739-2437， 33.4%1420-2559， 57%

102242.51881-2604， 32.2%1420-2559， 57%

圖3 Ls不同尺寸時(shí)天線(xiàn)的軸比仿真曲線(xiàn)

圖4 Ls=8 mm時(shí)天線(xiàn)的回波損耗測(cè)量曲線(xiàn)

圖5 Ls=8 mm時(shí)天線(xiàn)的軸比測(cè)量曲線(xiàn)

圖6 Ls=8 mm時(shí)天線(xiàn)在軸比中心頻率

2165 MHz測(cè)量的xoz面方向圖

圖4-5分別為天線(xiàn)在Ls=8 mm時(shí)的回波損耗測(cè)量曲線(xiàn)、軸比測(cè)量曲線(xiàn)。從圖可以看出，天線(xiàn)的VSWR≤2阻抗帶寬為1510-2650 MHz （54.8%），軸比帶寬為1810-2520 MHz （32.8%），對(duì)應(yīng)中心頻率為2165 MHz。測(cè)量的軸比曲線(xiàn)和回波損耗曲線(xiàn)均與仿真結(jié)果吻合。圖6為L(zhǎng)s=8 mm時(shí)天線(xiàn)在軸比中心頻率處測(cè)量的xoz面方向圖。該天線(xiàn)天線(xiàn)分別在+z和-z方向?qū)崿F(xiàn)左手和右手圓極化特性。圖7為L(zhǎng)s=8 mm時(shí)天線(xiàn)在圓極化帶寬內(nèi)的增益測(cè)量曲線(xiàn)，在圓極化輻射頻帶內(nèi)，天線(xiàn)的增益最高可過(guò)5 dB，最低可實(shí)現(xiàn)3.5 dB。圖8為L(zhǎng)s=8 mm時(shí)加工的天線(xiàn)實(shí)物圖。

圖7 Ls=8 mm時(shí)天線(xiàn)在圓極化帶寬內(nèi)的測(cè)量增益

圖7 Ls=8 mm的天線(xiàn)實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文提出了一種新的共面波導(dǎo)饋電寬帶圓極化方形天線(xiàn)。測(cè)量得到軸比帶寬超過(guò)32%，VSWR≤2阻抗帶寬達(dá)到54.8%。并且軸比帶寬可以方便地通過(guò)E型縫隙的中間縫隙的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整。天線(xiàn)分別在+z和-z方向?qū)崿F(xiàn)了好的左手和右手圓極化特性。