新型紧凑的宽频带圆极化问号形天线

李晓丹,张文梅

(山西大学 物理电子工程学院,山西 太原 030006)

0 引言

随着无线通信系统的快速发展,具有辐射特性的圆极化天线在遥感遥测、空间飞行器、海上通信以及无线通信的众多领域有着广泛的应用[1]。相对于传统的线极化天线来说,圆极化天线具有抑制雨雾干扰,减小多径反射,以及增强接收信号稳定性等优势[2]。常用的圆极化天线通常采用螺旋天线、微带天线等形式,微带天线结构简单、成本低,所需空间小[3]。文献中提到了实现圆极化的多种方法,例如方形贴片嵌入加号形槽[4-5]、三角形槽[6]、梯形槽[7],圆形贴片嵌入对数螺旋槽[8]、扇形槽[9]等,均可实现天线的圆极化辐射。为了得到宽的阻抗带宽和轴比带宽,文献[10]提出包含6个旋涡槽的天线,文献[11]利用在每个过孔周边腐蚀椭圆形槽的天线,文献[12]设计出8个寄生环形结构的天线,文献[13]利用贴片层与接地层的8对弯曲偶极子,分别实现了51.7%、19%、14%、19.6%的可用带宽,以上4种天线具有较大的尺寸和剖面。为了得到低剖面紧凑型的圆极化天线,文献[14]利用介电常数为3.5,厚度为1.52 mm的RF-35介质板,通过在贴片层添加两个月牙形槽的天线,得到宽频带圆极化天线。文献[15]利用腐蚀方形贴片对角线的方法减小天线尺寸,改善阻抗匹配,实现宽频带圆极化辐射。文献[16-18]分别利用贴片层的U型槽、C型贴片、背对的月牙形辐射贴片,得到可用带宽分别为110.5%、65.2%、87%的微带圆极化贴片天线。文献[19-20]分别利用传统缝隙天线上腐蚀六边形结构,两个圆形偏心环贴片,均实现在两个频点工作的宽频带圆极化天线。

本文提出了一种新型的宽频带问号型圆极化天线。此天线通过在矩形接地板上刻蚀扇形凹槽,以及在贴片层选用新型的问号形结构,得到了紧凑型的圆极化天线,实现了宽的阻抗带宽和轴比带宽。此天线的阻抗带宽为60.79%(3.95～7.4 GHz),轴比带宽为34.67%(4.65～6.6 GHz),可以工作在5.8 GHz的ISM频段。

1 问号形天线结构

本文提出的天线结构如图1所示,问号形天线的顶层包括问号形结构,中间层为介质基板,底层为刻蚀扇形凹槽的矩形接地板。天线顶层的问号形结构,其内、外半径分别为r1、r2,天线的底层为刻蚀了扇形凹槽的接地板,扇形的圆心与顶层问号型结构的圆心重合,其扇形所在圆的半径为r3。利用三维电磁仿真软件HFSS对天线的参数进行优化处理,优化结果数据如表1所示。本天线选用介电常数为4.4,损耗角正切为0.01,厚度为1.6 mm的FR4介质基板,尺寸为28 mm×26 mm×1.6 mm.

Fig.1 Configuration of antenna图1 天线结构示意图

参数数值/mm参数数值/mm w26r311 l28l110 r17l210 r29.5w12

为了验证问号形天线产生圆极化的原理,图2给出了天线在5.8 GHz时,一个周期内的表面电流分布图。从图2的四幅图中可以看出,天线的电流随着相位的增加逆时针旋转,从而天线形成了右旋圆极化。将贴片层的问号型结构反向放置,即可得到左旋圆极化。

Fig.2 Current distribution of antenna at 5.8 GHz图2 天线在5.8 GHz时的电流分布

2 问号形天线参数分析

通过对天线进行敏感性分析,发现接地板的扇形凹槽对天线性能影响较大。图3是给出了接地板有无扇形凹槽对天线性能的影响。从图3(a)可以看出,当接地板没有扇形凹槽时,天线的S11在6.85 GHz到7.7 GHz的范围内小于-10 dB,天线的轴比均在3 dB以上;当接地板加上扇形凹槽时,天线的S11在3.95 GHz到7.4 GHz的范围内小于-10 dB,天线的轴比在4.65 GHz到6.85 GHz的范围内小于3 dB。

接地板刻蚀扇形凹槽可以扩展天线阻抗带宽，可以通过天线的输入阻抗来证明如图3(b),扩展轴比带宽可以通过天线的幅度和相位，证明如图3(c)和(d)。由图3(b)可以看出,接地板未刻蚀扇形凹槽时,只在7.4 GHz附近,天线的实部接近50 Ω,虚部接近0 Ω。在接地板上刻蚀扇形凹槽后,由4.25 GHz到7.5 GHz范围内,天线输入阻抗的实部趋于50 Ω,虚部趋于0 Ω,因此天线得到了宽的阻抗带宽。由图3(c)可以明显看出,当天线接地板未刻蚀扇形凹槽时,天线的幅度Eφ比Eθ大很多,当天线刻蚀扇形凹槽后,幅度Eφ没有太大变化,Eθ增大到与Eφ近似相等。由图3(d)可看出,天线有无刻蚀扇形凹槽对天线相位δφ无太大影响,当刻蚀扇形凹槽后,天线相位δθ减小,相位差趋于90°,此时天线的幅度相等相位相差90°,可得到宽的轴比带宽。

图4是矩形接地板的参数l2对天线反射系数和轴比的影响。由图4可以看出,参数l2对天线的阻抗带宽影响不大,但是对天线的轴比带宽有较大影响。当l2=8 mm时,天线的轴比带宽为4.3 GHz～5 GHz,当l2=10 mm时,天线轴比带宽变为4.65 GHz～6.6 GHz,当l2=12 mm时,天线的轴比带宽为4.95 GHz～6.4 GHz。综合分析考虑,选取参数l2=10 mm。

图5是问号形贴片层的参数l1对天线反射系数和轴比的影响。由图5可以看出,当l1=10 mm时,天线工作的阻抗带宽和轴比带宽分别为3.95 GHz～7.4 GHz和4.65 GHz～6.6 GHz.当l1=8 mm时,天线的S11在3.9 GHz到7.3 GHz的范围内小于-10 dB,而天线的轴比在5.25 GHz到7.25 GHz的范围内小于3 dB.当l1=12 mm时,天线的S11在3.95 GHz到7.1 GHz的范围内小于-10 dB,天线的轴比带宽变为4.3 GHz～6.25 GHz。可见,参数l1对天线的阻抗带宽和轴比带宽均有较大影响,因此选取l1=10 mm。

(a)S11and AR, (b) input impedance, (c) amplitude of the electric field, (d) phase of the electric field.Fig.3 Effect of ground plate with or without fan-shaped slot on antenna performance(a) S11和AR (b)输入阻抗 (c)幅度 (d)相位图3 接地板有无扇形凹槽对天线性能的影响

Fig.4 Effect ofl2onS11and AR图4 l2对S11和轴比的影响

Fig.5 Effect ofl1onS11and AR图5 l1对S11和轴比的影响

3 天线仿真结果

图6是天线的反射系数与轴比曲线。从图中可以看出,天线的-10 dB阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别为3.95 GHz～7.4 GHz和4.65 GHz～6.6 GHz。图7分别给出了问号形天线在中心频率5.65 GHz的xoz平面和yoz平面的辐射方向图。从图中可以看出本文所提出的天线是双向辐射天线,在+z方向上产生右旋圆极化,在-z方向上产生左旋圆极化。图8给出了天线的峰值增益图,天线在7 GHz时取得最大峰值增益值为4.58 dBi。

Fig.6 Reflection coefficient and axial ratio of antenna图6 天线的反射系数和轴比

(a)x-zplane;(b)y-zplaneFig.7 Radiation patterns of the proposed antenna at center frequency 5.65 GHz(a)x-zplane;(b)y-zplane图7 天线在中心频率5.65 GHz的辐射方向图

Fig.8 Gain of the proposed antenna图8 天线的增益

4 结论

本文设计了一款应用于5.8 GHz 的ISM频段的新型宽频带问号形圆极化天线。此天线通过贴片层的问号型结构以及在接地板层刻蚀扇形凹槽,有效地扩展了天线的阻抗带宽和轴比带宽,并得到较高的增益。本论文设计的天线是一个双向辐射天线,在+z方向上产生右旋圆极化,在-z方向上产生左旋圆极化。将天线的问号形结构反向放置后,即可在+z方向上得到左旋圆极化,在-z方向上产生右旋圆极化。本文提出的问号形结构紧凑新颖,它可以应用于ISM频段的微波频段,性能满足实际应用要求。