宽带宽波束圆极化微带八木天线

宽带宽波束圆极化微带八木天线

叶喜红1何芒2周平源2

(1.天津理工大学中环信息学院电子信息工程系，天津 300380；2.北京理工大学信息与电子学院,北京 100081)

摘要提出了一种具有两级双贴片引向器结构的双馈圆极化微带八木天线．通过移除部分接地板结构,有效地增大了天线在端射前向的圆极化增益和波束宽度．等幅异相的同轴双馈模式使得该天线具有较宽的工作频带．数值仿真与实验结果表明:该天线同时满足驻波比RVSW≤1.5及端射方向轴比RA≤3 dB的相对带宽为11%．天线在俯仰面仰角0°至80°的范围内具有良好的圆极化辐射特性,方位面主极化半功率波瓣宽度达到88°,同时具有较高的辐射前后比．良好的工作特性表明此天线可作为机载或弹载通信的备选天线．

关键词微带八木天线;端射天线;宽波束;圆极化

中图分类号TN820.1`+1

文献标志码A

文章编号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

作者简介

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

微带天线具有低剖面、易共形、易加工、成本低等优点[1],因而在无线通信领域中倍受青睐．在卫星通信、WLAN通信及室内通信系统中,某些时候需要与方位面共形的平面天线能在仰角30°～60°甚至端射方向上实现线极化或圆极化辐射[2]．同时在方位面中还要求天线具有足够的波束宽度和增益,以保证通信链路信号的顺畅接收和传输．相对而言,圆极化天线能克服极化失配等不利因素从而提高通信的可靠性[3],但其设计难度较线极化天线要大得多．

联系人： 何 芒 E-mail：hemang@bit.edu.cn

为满足上述要求,J. Huang提出一种由单个激励贴片、反射贴片和两级引向贴片构成的微带八木天线结构[4-5]．反射和引向贴片的作用类似于普通八木天线或准八木天线的反射和引向振子[6-9],使辐射波束指向由边射向端射方向倾斜、辐射最大值在仰角50°～60°处．之后,众多学者对此类微带八木天线进行了大量的实验研究和改进,使其得到广泛的应用．但是,这些天线只能在辐射峰值附近的窄波束范围内保证圆极化辐射,而端射方向(φ=0°,θ=90°)圆极化恶化、增益小,水平面辐射波束窄． DeJean和Tentzeris将前人研究的各级均为单个贴片的微带八木天线中的引向贴片替换为具有适当间距的双贴片结构[10],有效提高了天线的增益和前后比、展宽水平面辐射波束．但是该天线只工作于线极化模式,而且前向增益与增益峰值差值大于8 dB．

为了提高天线端射方向的增益、展宽方位面辐射波束,本文提出一种改进型的多级、多贴片引向的圆极化微带八木天线结构．该天线具有宽频带、前向轴比小的优点,而且天线在端射方向上的增益、水平面波束宽度以及前后比都得到了较大提高．实验结果表明,该天线同时满足驻波比RVSW≤1.5以及端射方向轴比RA≤3 dB的相对带宽为11%,在俯仰角度0°至80°范围内具有良好圆极化辐射,水平面3 dB波束宽度88°、前后比19 dB,能够很好地满足机载或弹载通信天线的需求．

1天线结构及工作特性

1.1天线结构

天线结构如图1所示,介质基板厚度为h、横向大小为Ls×Ws,相对介电常数和损耗角正切分别为εr和tanδ.D为源贴片,沿x、y方向大小为Ld、Wd,采用等幅异相的同轴双馈模式激励形成圆极化辐射,馈电端口1和2距贴片中心距离分别为fx和fy．R为反射贴片,尺寸为Lr×Wr,与介质板边缘的距离为gr．间距为S1、尺寸均为Ld1×Wd1的两个相同贴片D1T和D1B组成了第一级引向器,间距为S2、尺寸均为Ld2×Wd2的贴片D2T和D2B组成第二级引向器．相邻两级贴片之间沿x方向的间距为g．

图1　天线结构

众所周知,普通微带天线的波束为边射,所以微带八木天线中各级贴片之间空间波耦合效应很小,激励贴片上的能量主要通过表面波耦合到引向贴片上．故而各级贴片间距应尽量小,且引向贴片不宜超过两级、反射贴片则不宜超过一个,因为额外增加寄生贴片的数目使天线尺寸增大却不能更有效改善天线的工作性能．为了使天线辐射圆极化波,两个馈电端口输入功率相等、相位差根据实际天线结构尺寸及所用材料的特性决定,通常两馈电端口相差不是常规双馈圆极化微带天线中的90°．

1.2天线地板对天线工作特性影响

为了增大天线前向增益、展宽辐射波束,我们适当切除天线前后端的接地板,使天线最大辐射指向往水平面倾斜,天线前向增益增大、背向辐射减小．同时水平面辐射波束变宽,且在该波束范围内天线的轴比得到很大改善．该设计有效地增强了天线的端射、圆极化特性,这对提高很多机载、弹载通信系统稳定性具有非常重要的实际意义．

天线结构中接地板实际尺寸为(Ls-Lc1-Lc2)×Ws,其中Lc1和Lc2分别为天线前、后端沿x方向被切除部分的长度．为了方便考察天线地板大小对工作特性的影响,利用HFSS进行了详细的参数分析．

图2和图3为天线两个端口输入阻抗和5.7 GHz时天线空间辐射特性随Lc1改变时的变化曲线．

图2　天线两端口输入阻抗随L c1的变化

(a) xoz面

(b) xoy面 图3　5.7 GHz时天线辐射特性随L c1的变化

由图2可见,Lc1的变化会使端口输入阻抗发生变化,但均能在较宽频带内保持阻抗匹配．图3为5.7 GHz时天线俯仰面和水平面辐射特性变化曲线,随Lc1增大,俯仰面内天线增益变化很小但端射方向轴比和后向辐射都有所减小,且水平面内天线增益明显增大且轴比显著降低．

图4所示为Lc2变化时对两端口输入阻抗的影响．由图可见Lc2变化时对两个天线端口阻抗影响不大,均有良好的阻抗匹配．

图4　天线两端口输入阻抗随L c2的变化

图5为5.7 GHz时天线两个主平面辐射特性随Lc2改变时的变化曲线.由图可见,随着Lc2的增大,天线前向增益由Lc2=0时的-0.3 dBi增大为Lc2=37.9 mm时的2.35 dBi,水平面3 dB波束宽度明显变宽,而且天线轴比在此波束范围内显著减小,但天线辐射的前后比则是随着Lc2的变化先增大后减小,在Lc2=35.0 mm时最佳．

(a) xoz面

(b) xoy面 图5　5.7 GHz时天线辐射特性随L c2的变化

从图3(b)和图5(b),看到天线辐射方向图没有关于x轴对称,而是沿逆时针有一定的角度偏移．这是因为沿y轴方向端口2的不对称馈电造成的,如果要改善这种不对称性可以在端口2的对称位置增加一个馈电形成三馈电微带八木天线结构．

2天线测试结果及分析

天线仿真设计过程中,首先对如图1所示天线结构参数进行优化,使天线具有最佳工作性能后,为了更方便在实际中应用,两个馈电端口由一分二等幅异相的Wilkinson功分器[11-12]进行馈电．

图6为天线加工实物图,因为板材购买时材料的限制,所用介质基板为FR4,相对介电常数为4.5、损耗角正切为0.02,而仿真时所用的罗杰斯TMM4损耗角正切为0.002,损耗有所增大．功分器输出端馈电幅度相同、相差100°,所用板材也为FR4,厚度0.6 mm．

图6　天线实物

图7和图8为天线驻波比和端射前向的增益与轴比随频率变化曲线．实测驻波比在5.21～5.84 GHz内小于1.5、端射前向轴比在5.25～5.90 GHz内小于3 dB．该天线有效工作频带(即同时满足RVSW≤1.5和RA≤3 dB的频带)为5.25～5.84 GHz、相对带宽约为11%．可以看出,实测数据与仿真结果吻合良好,但增益测量值比仿真偏高,我们认为该差别主要来自介质材料特性的不稳定性以及加工与测量误差．

图7　天线驻波测试及仿真结果

图8　天线端射方向增益与轴比随频率的变化

图9(a)和图9(b)分别为天线在5.6 GHz时俯仰面与水平面辐射方向图空间分布．实测增益峰值在仰角55°附近,端射前向增益约0.8 dBi,方位面半功率波瓣宽度为88°(-28°～60°),前后比约19 dB．同时,通过观察交叉极化知道,在俯仰面10°≤θ≤90°和水平面-34°≤φ≤53°范围内,具有良好的圆极化特性．实测数据和仿真结果在空间分布上存在一定的角度差,可能是测试结果受到馈电线缆以及转台的影响而造成的．

(a) 俯仰面

(b) 水平面 图9　5.6 GHz时天线辐射方向图仿真和测试结果

3结论

本文设计了一种等幅异相双馈结构的端射宽带宽波束圆极化微带八木天线．通过适当切除天线前后端接地板,增大天线端射前向增益、展宽辐射波束并有效改善圆极化特性,以满足现代无线通信系统的需要．天线测试数据与仿真结果吻合良好,同时满足天线驻波比小于1.5和端射前向轴比小于3 dB的相对带宽为11%．天线最大辐射方向约在仰角55°附近,且在俯仰面10°≤θ≤90°范围内具有良好的圆极化特性,水平面半功率波瓣宽度为88°,天线辐射前后比为19 dB左右．该天线能较好地满足多数机载和弹载等系统数据通信的需求．

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叶喜红(1986-),男,江西人,天津理工大学中环信息学院电子信息工程系讲师，博士,研究方向为天线理论与技术．

何芒(1976-),男,安徽人,北京理工大学信息与电子学院副教授,博士,博士生导师, IEEE senior member,IEEE Beijing Section奖励委员会主席．研究方向为计算电磁学及其应用、天线理论与设计．

周平源(1990-),男,重庆人,硕士研究生,研究方向为天线理论与设计．

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