共口径双圆极化微带天线

程春霞, 罗丽燕

(1. 西安电子科技大学空间科学与技术学院, 陕西 西安 710126;2. 桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室, 广西 桂林 541004)

0 引 言

圆极化天线具有抗衰减、抗多径干扰[1]、抗多径反射等优点,在无线通信特别是卫星通信系统中的应用非常广泛。圆极化天线可以采用辐射贴片上的缝隙微扰[2]、切口微扰[3]、激发TM11正交兼并模式[4]与90°相位差正交馈电[5-7]的方式产生圆极化辐射。为了展宽圆极化带宽,可采用多馈点[8-9]、闪电缝隙加载[10]、半圆缝隙加载[11]、寄生单元[12]、短路负载产生多模[13]、平面微带L型探针馈电[14]、辐射贴片叠层[15]等措施。

双极化可提供双传输信道,从而提高通信容量[16],因此极化分集在紧凑系统中的应用要多于空间分集。很多文献对单馈点极化分集进行了研究,利用压电换能器(piezoelectric transducer,PZT)切换介电微扰器的电压实现双圆极化[17],用二极管控制辐射贴片与其截断角点之间的连接状态[18]、U形槽的臂长[19]、地板缝隙电流的路径[20-21]和辐射贴片E形槽上的电流[22]实现双圆极化。但是,PZT和二极管都需要外加电压或偏置电路,增加了天线的复杂性。因此,出现了双端口双圆极化天线。比如:十字耦合槽馈电[23]、3 dB混合耦合器[24-26]、T型功分器顺序相差馈电网络[27]和奇偶模馈电模式[28]都可实现双圆极化。而为了实现天线尺寸的小型化可采用耦合器和天线背靠背[29]的几何结构。

本文设计了一种用于2.4 GHz无线通信系统的共口径四馈双圆极化贴片天线,4个馈电探针分别与4个T形枝节加载的三角形贴片相连,馈电网络由两个威尔金森功分器和两个环形电桥[30]馈电网络构成。当馈电网络4个输出端口的相位依次相移90°时,天线就会辐射圆极化波。天线的整体尺寸为0.7λ0×0.7λ0×0.02λ0,具有较低的剖面尺寸,较宽的可用圆极化带宽,法向对称性的辐射方向图。

1 天线设计

1.1 天线结构

天线的结构如图1所示,由两层相同尺寸的FR4基板构成,其中h1=h2=1 mm、εr1=εr2=4.5、Lsub=90 mm。在上层基板的顶层印有4个T形枝节加载的三角形辐射贴片,每个辐射贴片通过一个探针与馈电网络的一个输出端口相连。辐射贴片的长度Lpatch=65 mm,辐射贴片之间的缝隙宽度W3=1.2 mm,其他尺寸L1=8.1 mm、W1=1 mm、W2=1.45 mm。两层基板中间为接地层,4个探针穿过接地层与最底层的馈电网络相连,通过控制相邻贴片单元的相位差来实现不同的圆极化方式。当天线相邻端口的馈电相位按顺时针方向(Pout1→Pout4→Pout3→Pout2)依次滞后90°时为左旋圆极化(left-hand circular polarization, LHCP);反之相邻端口按顺时针方向相位依次超前90°馈电时为右旋圆极化(right-hand circular polarization, RHCP)。

图1 天线结构Fig.1 Antenna geometry

1.2 功分器设计及其性能

本文中的天线通过最底层的馈电网络实现了RHCP/LHCP所需的相移,该馈电网络有两个输入端口、4个输出端口,如图2所示。馈电网络由两个180°相移的威尔金森功分器和两个90°相移的环形电桥构成。

图2 馈电网络Fig.2 Feed network

以一个环形电桥为例,介绍其设计思路。如图3所示,其中Pga1、Pgb1分别与两个不同威尔金森功分器的一个输出端口相连,因此Pga1、Pgb1需要相互隔离。Pout1、Pout4通过探针与辐射贴片相连,不同端口输入时这两个端口输出信号的相位需要超前或滞后90°。Pga1和Pgb1的隔离、Pout1和Pout4的相位差均通过微带线的移相来实现。由图3可知,C点经过A点到B点、C点经过B点到D点两条路径微带线的电长度分别为λg/2、λg,因此Pga1与Pgb1之间两个路径信号的相位差为180°,两路信号等功分比即可相互抵消,Pga1和Pgb1相互隔离。由C点到A点、C点到B点的电长度可知,Pga1输入时B点相位滞后A点180°,由于L1的电长度比L2长λg/4,因此端口Pout1的相位滞后Pout4端口90°。由图3中D点到A点、D点到B点的电长度可知,Pgb1输入时A点和B点同相位,由于L1的电长度比L2长λg/4,因此端口Pout4的相位滞后Pout1端口90°。由环形电桥输出端口相位关系、威尔金森功分器输出端口相位差可知:当端口1(Pin1)馈电时,输出端口4(Pout4)比输出端口1(Pout1)滞后90°,输出端口3(Pout3)比输出端口4(Pout4)滞后90°,输出端口2(Pout2)比输出端口3(Pout3)滞后90°,即Pout1→Pout4→Pout3→Pout2相位依次滞后90°;当端口2(Pin2)馈电时Pout3比Pout2滞后90°,Pout4比Pout3滞后90°,Pout1比Pout4滞后90°,即Pout2→Pout3→Pout4→Pout1相位依次滞后90°,也就是Pout1→Pout4→Pout3→Pout2相位依次超前90°,可提供左旋/右旋圆极化激励所需的相位差。为了验证理论设计结果,对图2所示的功分器进行建模仿真,结果如图4所示。从图4(a)和图4(b)可以看出,端口1馈电时,4个输出端口的相位按Pout1→Pout4→Pout3→Pout2依次递减90°,端口2馈电时,4个输出端口的相位按Pout1→Pout4→Pout3→Pout2依次递增90°,与理论分析的左旋/右旋圆极化激励4个输出端口的相位差一致。

图3 环形电桥Fig.3 Ring bridge

图4 馈电网络输出端口的相移Fig.4 Phase shift of output port in feed network

2 仿真与测试结果

天线实物的辐射贴片和馈电网络如图5所示。

图5 天线实物Fig.5 Antenna prototype

图6给出了两个天线端口的S参数。由图6可知,实测结果和仿真结果的一致性较好,中心频点S11可达-35 dB,在2.4～2.48 GHz频段内的S11小于-15 dB,说明该天线在整个工作频段内的匹配较好;2.4～2.48 GHz频段内的S12小于-15 dB,即两个端口的隔离度大于15 dB。

图6 天线端口S参数Fig.6 S-parameters of antenna port

图7给出了天线的轴比和增益。由图7可知,该天线的3 dB轴比带宽为2.36～2.56 GHz,即8.2%;在工作频段2.4～2.48 GHz内,端口1的轴比小于2 dB;端口2的轴比小于1.5 dB;端口1的平均圆极化增益为-1.3 dBic,端口2的平均圆极化增益为-1.6 dBic。

图7 天线轴比和增益对比Fig.7 Comparision of axial ratio and gain

天线端口1、端口2的xoz面和yoz面辐射方向图如图8所示。从图8中可以看出,端口1为LHCP,端口2为RHCP,在3 dB波束宽度内交叉极化比主极化低-20 dB以上。此外,由于采用了四馈点,辐射方向图的对称性非常好。

图8 辐射方向图Fig.8 Radiation patterns

本文所设计的天线与其他双端口共口径天线性能对比如表1所示。本文所设计的天线与同类型相近尺寸的天线相比轴比带宽较宽,两个端口之间的隔离度较好。但是由于馈电网络的微带线较长,FR4介质板的损耗较大,因此本文中天线的增益较低。文献[15]由于采用了寄生贴片和空气介质,其带宽较宽、增益也较高,但是剖面较高。

表1 天线性能比较

3 结 论

本文设计了一种紧凑的双圆极化微带贴片天线,该天线由T形枝节加载的4个三角形辐射单元和一分四的馈电网络组成,馈电网络4个输出端口通过探针穿过地板层给上层的4个辐射单元馈电,其尺寸为0.7λ0×0.7λ0×0.02λ0,结构简单不需要额外的直流偏置电路,在共口径的情况下,可以产生两种正交的圆极化辐射。仿真和测量结果表明在2.4～2.48 GHz频段内匹配较好,具有良好的圆极化性能。采用了四馈电结构,其方向图对称性较好,适用于2.4 GHz频段的无线局域网的应用,在实际工程应用时可采用低损耗板材,以减少馈电网络损耗提高天线增益。