一种顺序相移的超宽带馈电网络

刘耀坤, 刘淑芳, 梁硕毅, 史小卫

(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071)

0 引言

随着时代的进步,各类通信设备所处的电磁环境愈加复杂,在有限空间内面临的干扰日益增多。圆极化天线具有可接收任意极化形式的电磁波,且其辐射的电磁波可以被任意极化的天线接收的特点。在通信系统中采用圆极化天线,能够通过分析回波信号的相位相关性,获取目标的散射极化矩阵,相比采用线极化天线更具优势。因此圆极化天线在无线通信、卫星通信、无线局域网等通信系统中得到了广泛的应用[1-2]。超宽带(ultra-wideband,UWB)技术被认为是新一代短距离、低功耗、高数据速率无线通信的理想选择,它的数据传输速率可以高达几百兆比特,大带宽的窄脉冲信号也使精确测量终端之间的距离成为可能[3]。因此研究超宽带圆极化天线具有重要的意义。

将超宽带天线单元进行顺序旋转组阵是形成超宽带圆极化天线的常用技术,其中超宽带馈电网络是其设计难点。本文设计了一款适用于八单元顺序旋转圆极化天线阵列的超宽带圆极化馈电网络,可对顺序旋转天线阵列进行馈电,实现超宽带圆极化性能。

1 馈电网络设计

八单元阵列天线空间分布如图1所示。若阵列8个端口(P1～P8)输入的信号等幅且相位按顺序依次增加45°,则此天线阵为圆极化阵。馈电网络的组成如图2所示。该网络由1个180°功率分配器,2个3 dB分支线耦合器,4个威尔金森功分器和4个45°移相器组成。理想情况下,8个端口输出信号的幅度大小相等,相位按顺序超前或滞后45°,依次分别为0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°。

图1 阵列天线空间分布

图2 馈电网络组成示意图

180°功率分配器的拓扑结构如图3所示。该功率分配器具有金属层-介质层-金属层的结构,顶层为3个微带线与扇形相结合的金属贴片,底层为金属地板,地板上开有细长矩形与扇形组合成的槽[4]。信号通过端口A1输入,通过调整顶层金属层上的微带结构与底层地板上缝线之间的耦合,使得A2与A3两个端口的输出信号等幅,且相位差为180°。采用扇形结构可以实现更好的阻抗匹配,从而有效展宽工作频带。

图3 180°功率分配器结构示意图

3 dB耦合器结构如图4所示。该耦合器具有5层结构,即金属层-介质层-金属层-介质层-金属层,其中金属层结构如图4(a)所示。顶层金属层由微带线与耦合结构连接而成,底层金属层结构与顶层金属层结构相同。为了实现更好的匹配,耦合结构采用一个中心椭圆结合两端小椭圆的形式。中间金属层作为公共接地板,在其上刻蚀有3个椭圆组合成的耦合槽,顶层金属层与底层金属层通过该槽实现电磁能量耦合[5]。信号从端口B1输入,通过中间耦合部分使得端口B2与B3输出的信号幅度相等,且B2输出信号相位相对于B3滞后90°,端口B4为隔离端口。

图4 3 dB耦合器结构示意图

超宽带威尔金森功分器结构如图5所示。该功分器采用了7节级联的形式,根据多节切比雪夫阻抗变换器的基本原理可得到每一节微带线的阻抗值。每节微带线的长度均为所设计的功率分配器的中心频率的四分之一波长,计算出各节微带线的宽度即可设计出相应的功分器[6]。功分器每节之间都并接一个隔离电阻,合适的隔离电阻确保了各端口之间具有较高的隔离度,从而尽可能减小端口间的相互干扰。信号从端口C1输入,可在较宽频带内实现端口C2与C3信号等幅同相输出。

图5 超宽带威尔金森功分器示意结构图

45°移相器的结构与3 dB耦合器的结构相似,同样为金属层-介质层-金属层-介质层-金属层的5层结构,如图6所示。移相结构由3个部分组成,顶层金属层由微带线、椭圆形贴片与小矩形贴片(调节相位平衡)构成,中间的公共接地板上开有椭圆形与两个小矩形的槽,底层金属层构成与顶层相似[7],如图6(a)所示。从移相器的端口D1与D3输入信号,顶层与底层的微带贴片通过公共接地层的槽进行耦合,使端口D2与D4输出的信号幅度相等且相位相差45°。

图6 45°移相器结构示意图

2 馈电网络仿真

采用仿真软件Ansoft HFSS 19.0对馈电网络进行建模仿真并优化设计。180°功率分配器、3 dB耦合器、威尔金森功分器和45°移相器构成了圆极化馈电网路,布局如图7所示。

图7 馈电网络整体结构图

选用聚四氟乙烯玻璃布板作为介质层,其损耗角正切值为0.000 9,相对介电常数为2.65,基板厚度为0.5 mm。信号由端口P0输入馈电网络,从端口P1～P8输出。当输入端口激励时,馈电网络的回波损耗|S00|的仿真结果如图8所示。以端口P1的输出信号作为参考,比较各个端口输出信号传输系数及相位的一致性,仿真结果如图9和图10所示。

图8 |S00|仿真结果

图9 各端口传输系数仿真结果

图10 各端口输出相位仿真结果

从仿真结果可以看出,当输入端口激励时,馈电网络的|S00|在(3.9～10.1)GHz频带内小于-11.7 dB,具有良好的匹配特性,插入损耗小于3.1 dB并且8个输出端口的幅度起伏小于1.4 dB,相位差在±4.4°以内。

3 馈电网络实物测试

根据电路图进行投版加工,介质板选用聚四氟乙烯玻璃布板,介电常数为2.65,基板厚度为0.5 mm,微带线覆铜的厚度为0.035 mm,得到的实物元件如图11～图13所示。

图11 180°功率分配器实物图

图12 3 dB耦合器实物图

图13 超宽带威尔金森功分器与45°移相器组合实物图

将各个元件级联后采用安捷伦矢量网络分析仪进行测试,得到馈电网络的|S00|及各个端口的传输系数和相位并作数据处理,结果如图14～图16所示。

图14 |S00|实测结果

图15 各端口传输系数实测结果

图16 各端口输出相位实测结果

从测试结果可以看出,当输入端口激励时,馈电网络的|S00|在(3.9～10.1)GHz频带内小于-11.3 dB,具有良好的匹配性。在整体频段内,插入损耗小于3.2 d B,8个输出端口的幅度起伏小于2.33 dB,相位差在±7.3°以内。由于加工精度与电阻焊接工艺的原因,实测结果与仿真结果有一定差距,但是该网络仍具有幅相特性良好的优点,满足激励八单元阵列天线产生圆极化的要求。

4 结束语

本文使用180°功率分配器、3 dB耦合器、威尔金森功分器与45°移相器,构建了一种超宽带顺序相移馈电网络。测试结果表明,在(3.9～10.1)GHz的频带内,馈电网络的回波损耗、传输系数及相位特性良好,可以较好地满足顺序旋转馈电的要求。