用缺陷地结构抑制圆极化微带天线的谐波

江 超,杨雪霞,白巧玲

（上海大学通信与信息工程学院,上海 200072）

0 引言

缺陷地结构是由韩国学者J.I.Park等人在研究光子带隙结构基础上提出的[1]。DGS使得微带线具有带隙特性和慢波特性,从而可以将其应用在抑制天线的高次谐波[2]、带通滤波器[3]、Wilkinson功分器[4]等方面。与光子带隙结构相比,DGS更简单,更适于微波毫米波电路的应用。

文献[5]将双圆形缺陷地板用于圆形线极化辐射贴片,很好地解决了交叉极化的辐射电平。文献[6]在矩形辐射贴片前的馈线中加入了平行耦合微带线滤波器,具有良好的二次谐波抑制效果,但是整个天线单元面积过大。文献[7]中提出了一种线极化矩形微带天线结合双开环滤波单元,二、三次谐波得到了的滤除,其频段内的S11在-5dB左右。文献[8]中采用了TDGS的天线结构,二、三次谐波的S11控制在-3dB以内,但TDGS占用面积较大。

设计了具有二次谐波抑制功能的圆极化天线,其结构紧凑,抑制性能好,用于射频前端可减小其体积。

1 天线结构设计

1.1 微带贴片的设计

贴片天线采用微带线边缘馈电,如图1所示,方形贴片的边长可由公式（1）确定。

图1 贴片结构图

切角方形贴片能够激励TM01模和TM10模,从而实现圆极化。通过软件仿真,得到贴片输入端口点a的输入阻抗为200Ω。用λ/4阻抗变换器将200Ω转换成50Ω,便于测量和加载DGS单元。λ/4波长变换器的特性阻抗为Zc。

根据公式（2）变换线的特性阻抗为100Ω。用HFSS软件仿真,微带线天线的输入阻抗随频率变化,如图2所示。在中心频率5.8GHz,输入阻抗为（49+j1.1）Ω。由于圆极化需要2种模式,因此在阻抗曲线中有2个虚部为零的点,把匹配点调整在较低频率模式可以同时获得较好的圆极化和驻波比。

1.2 DGS的设计

采用了哑铃型DGS,该DGS结构在50Ω微带线的另一侧,即接地板上。结构如图3所示,哑铃半径为r,哑铃握柄宽为g,单元间距为d,哑铃握柄长为L。

DGS可以等效为一个LC并联电路,因此在电路谐振时具有对某一频段的带阻特性;多DGS级联组合可以使等效电路变成具有低通特性或者带通特性。

用HFSS分析DGS的频响特性,图4是其仿真后的S参数曲线,可以看出此DGS结构呈现低通特性。在5.8GHz附近的通带大于天线带宽,而在10GHz～12GHz的二次谐波频带内,S11抑制好于-2dB。

图3 双哑铃结构

图4 双哑铃型DGS的S参数的特性

2 天线仿真和实验

哑铃型DGS对天线特性有影响,所以需要对这种天线加以综合分析。天线的结构如图5所示,介质板厚1.5mm,介电常数为2.65。长宽分别为44mm和40mm。馈线和天线共面,DGS在接地板上。缺陷地的几何尺寸分别为r=1.7mm,g=0.8mm,d=4mm,L=7.4mm。

图5 天线结构

2.1 天线仿真

对DGS单元的截止频率影响最显著的是哑铃半径r和哑铃握柄宽g。哑铃的面积越小,截止频率越高;g越窄,截止频率越低。而L参数和d参数则同样可以引起截止频率的改变,分别如图6和图7所示,L越长,截止频率越小;d越大,滤波器的选通性就越强。

图6 L对S参数的影响

图7 d对S参数的影响

切角方形贴片激励圆极化波,而馈线偏移量D对圆极化的性能也有影响,如图8所示。切角之后的方形贴片使得表面电流沿着其边缘旋转,而贴片边缘的一段馈线影响了表面电流的平衡分布,所以通过改变边缘馈电位置,可以实现较好的圆极化效果。而且,细微变动DGS与辐射贴片的间距同样可以改善圆极化。

图8 随D影响的轴比带宽

2.2 测试结果

经过优化仿真,天线几何尺寸参数为L1=14mm,L2=11.5mm,L3=8.7mm,w1=2.2mm,w2=4.2mm,w3=1mm。S11频响特性如图9所示,有DGS和无DGS二次谐波的仿真值分别为-2dB和-17dB。由于加工误差,有DGS二次谐波的测试值为-3.45dB。测试的S11＜-10dB,带宽为200MHz。

图9 S11仿真与实测值

天线轴比测试和仿真值如图10所示,测试3dB轴比带宽约为70MHz,与仿真曲线基本保持一致。由于加工误差和测试误差,尤其是在测试过程中天线波瓣最大方向可能没有对准发射天线,导致测试天线的增益低于仿真增益,其最大增益出现在5.83GHz,约为6.3dBi,如图11所示。

图10 轴比仿真测试对比图

图11 增益仿真测试对比图

图12是在5.8GHz下测试E面圆极化方向图,前后比约为13dB,3dB波瓣宽度为80°。

图12 频率5.8GHz下E面方向图

3 结束语

该设计将DGS用于圆极化天线的谐波抑制。经实际测量,二次谐波的S11抑制在-3.45dB以内,S11小于-10dB带宽为200MHz,轴比小于3dB的圆极化带宽为70MHz。5.8GHz中心频率的轴比为1dB,方向图的波瓣前后比为13dB,最大增益为6.3dBi,可用于小型化的射频前端。

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