一种新型布局的圆极化微带天线阵优化设计

傅世强,张 宁,房少军

(大连海事大学 信息科学技术学院,辽宁 大连 116026)

微带天线与其他天线相比,具有低成本、低剖面、易加工、易集成、适合批量生产等优点[1]。圆极化天线在接收机和发射机上具有更大的灵活性、更好的可移动性、更强的气候穿透性,可以抑制雨雾干扰和抗多径反射。因此,圆极化微带天线被大量应用于卫星定位、卫星通信和射频识别等多个领域。目前大多数圆极化微带单元天线增益较低,无法满足高性能需求的场合,因此微带天线阵列的设计得到了广泛的研究。

微带天线阵列的排布方式对天线的辐射性能具有重要影响。文献[2]将微带印刷偶极子天线组成4×4元正方形阵列以实现高增益,但采用FR4 板使天线辐射效率降低;文献[3-4]采用圆形排布阵列,由于天线阵内部空虚,使其空间利用率较低;文献[5-6]和文献[7]分别提出了一种六角形和八角形的布阵方法来近似同心圆环阵,采用对称结构使得天线辐射性能更加均匀。为了提升圆极化微带天线阵列的辐射性能,文献[8-9]把应用顺序旋转技术的4 元阵作为子阵拓扑到16 元阵和64 元阵中,并通过子阵旋转90°使得子阵之间也形成顺序旋转技术,进一步展宽轴比带宽;文献[10]通过仿射变换把三角形栅格变换成正方形栅格,为实现顺序旋转布阵技术提供了一种栅格类型。通过调研发现,顺序旋转圆极化天线阵通常采用子阵的数目为4 个单元[11-12],进而拓扑获得8 元阵、16 元阵和64 元阵[13-15],但只是通过简单的子阵拓扑,没有布局最优化。

本文提出了一款12 元新型布局的圆极化微带天线阵。该天线阵综合采用多项技术来提高阻抗匹配和改善辐射性能:利用叠层贴片双峰谐振展宽阻抗带宽,采用上层大、下层小的单元结构为下层馈网的设计提供更大的布局空间;阵列利用内围4 元子阵与外围8个天线交叠形成了5 个右旋顺序旋转结构以提升圆极化性能;研究4 元子阵阵元馈电方向对耦合效应和整体辐射性能的影响,并寻求对称结构简化了馈电网络的设计。通过对圆极化天线阵列优化布局的研究,在保证天线阵整体性能基本不变的情况下,实现了少数元阵可以达到多数元阵的效果。

1 天线设计

1.1 单元天线设计

单元天线通过微带线侧馈切角的形式来实现圆极化,两正方形切角贴片堆叠形成双峰谐振,展宽天线带宽,结构如图1 所示。下层激励贴片边长为L1,蚀刻在相对介电常数εr为2.65,厚度H1为1.5 mm 的F4B 介质材料板上;上层寄生贴片边长为L2,蚀刻在相对介电常数εr为4.4,厚度H3为0.2 mm 的FR4 介质材料板上;激励贴片与寄生贴片的切角尺寸分别为L4和L5;两层介质板之间采用空气填充并用尼龙柱作支撑,空气层厚度为H2。此结构可实现下层贴片尺寸较上层贴片尺寸更小,考虑到采用微带馈线与激励贴片共面设计,在进行组阵时,可为馈电网络提供更大的布局空间。

图1 天线单元结构示意图Fig.1 Schematic diagram of antenna element structure

根据叠层微带天线的经典公式(1)和(2)可估算贴片的初始尺寸L1和L2。当天线结构包含多层不同介电常数的介质基板时,其等效介电常数εe可由式(3)给出。

式中:ΔL是考虑边缘场影响的修正因子;c是光速;fr为谐振频率;εe为等效介电常数;i表示介质层的层数;Hi为第i层介质层的高度;εri表示第i层介质层的相对介电常数。

微带天线采用单馈点馈电,并对天线进行切角来实现圆极化。利用电磁仿真软件HFSS 仿真分析发现:通过微调激励贴片边长L1和寄生贴片边长L2以调谐单元天线的低频、高频谐振点的位置,使双峰的峰值近似相等;然后再微调切角边长的尺寸L4与L5来优化单元天线的圆极化性能,使双峰更加均衡并相互贴近;空气层厚度H2调谐两层贴片之间的耦合,使得单元天线的圆极化中心工作频率为4.2 GHz 并改善其轴比带宽,最后通过微调馈线长度L3来进一步优化阻抗匹配。通过大量优化得到天线最佳尺寸为:L1=20.9 mm,L2=30.9 mm,L3=12.5 mm,L4=4.1 mm,L5=4.1 mm,W1=1.5 mm,H1=1.5 mm,H2=0.2 mm,H3=6.5 mm,G=100 mm。仿真得到的单元输入阻抗特性曲线如图2 所示,其中输入阻抗的实部双峰分布在中心频率4.2 GHz 的两侧且比较均衡;输入阻抗的虚部在零点处上下波动且比较平缓。

图2 单元天线输入阻抗随频率变化曲线Fig.2 Input impedance versus frequency curve of unit antenna

1.2 天线阵及其馈电网络设计

借鉴同心圆环阵列结构上的对称性,本文所设计的天线阵采用正方形栅格八边形边界,把单元天线分为内围与外围,内围4 个单元天线在实现顺序旋转技术的同时,与外围8 个单元天线重新组合构成4 个同旋向的圆极化子阵,继而12 元天线阵形成了5 个应用顺序旋转技术的右旋圆极化波,结构如图3(a)所示。为了比较,图3(b)给出了传统采用顺序旋转技术的16元天线阵。在单元天线相同、馈电功分比均为1 ∶2 ∶2 ∶1(其中内围4 个天线单元的激励为2,外围8 个或12 个天线单元的激励为1)和阵元间距均为0.75λ不变的情况下,进行仿真对比分析,仿真结果如图4 所示。在中心频点4.2 GHz 处,垂直平面(φ=0°)和对角线平面(φ=45°),12 元阵的副瓣电平均明显降低,3 dB圆极化轴比波束明显展宽。可见,此12 元天线阵列的辐射性能更优,其立体波束形状也更加对称;16 元阵与12 元阵的顶点增益与轴比相差不多,从而近似达到了少数元阵实现多数元阵的效果。

图3 应用顺序旋转技术的天线阵列模型图。(a)12 元天线阵;(b)16 元天线阵Fig.3 The model diagrams of antenna array using sequential rotation technique.(a)12 element array;(b)16 element array

图4 中心频率4.2 GHz 处12 元与16 元天线阵列的增益与轴比随θ 角变化的仿真曲线。(a)φ=0°;(b)φ=45°Fig.4 Simulation curves of gain and axial ratio of 12 element and 16 element antenna arrays varying with angle θ at the center frequency of 4.2 GHz.(a)φ=0°;(b)φ=45°

馈电网络是阵列天线的重要部分。通过对天线阵结构的进一步研究发现,阵列整体具有旋转对称性。根据馈电方向与相位的关系,对部分单元的馈电方向进行调整,使整个阵列实现顺序旋转的同时馈电网络也得到了简化。所设计的12 元微带天线阵及功分馈电网络如图5 所示,已用深黑色画出。其中馈源通过T 型结功分器先分成幅度相等、相位相差180°的两路,每一路再分成三路,并利用威尔金森功分器使内、外围天线得到相应的激励,采用不等功分的设计来实现低副瓣的特性。考虑到二项式分布1 ∶3 ∶3 ∶1 的馈电功分比会导致阻抗过大、线宽过细、不易实现,故采用功率比为1 ∶2 ∶2 ∶1 进行馈电。在功分网络输入端采用三节最大平坦型阻抗变换器,实现宽频带的阻抗匹配特性。最后把SMA 接头焊接到50 Ω 同轴馈电端口,再用尼龙柱将上下两层介质板固定。

图5 天线阵及馈电网络结构示意图Fig.5 Schematic diagram of antenna array and feed network

2 天线实验

利用电磁仿真软件HFSS 对天线阵进行大量的仿真优化,并根据优化结果,对天线进行加工制作,实物如图6 所示。

图6 天线阵加工实物图。(a)下层贴片及馈电网络;(b)天线阵整体Fig.6 Fabricated antenna array prototype.(a) Lower patch and feed network;(b) The whole antenna array

使用Agilent N5230A 矢量网络分析仪对天线的匹配特性进行测量。图7 给出了天线阵仿真和实测S11对比曲线,从图7 可看出,在3.2～4.6 GHz 频段内,实测S11基本小于-10 dB,相对带宽达到36%。仿真结果与实测结果趋于一致。

图7 仿真和实测的S11曲线Fig.7 Simulated and measured S11 curves

在微波暗室中测试该天线阵的空间辐射性能。天线在工作频率4.2 GHz 处的仿真和实测辐射方向性图如图8 所示,在主方向上圆极化性能良好,实测增益达到17.7 dB,交叉极化鉴别率为25.9 dB。

图8 中心频率4.2 GHz 处仿真和实测辐射方向性图Fig.8 Simulated and measured radiation patterns at center frequency of 4.2 GHz

图9 为天线的顶点轴比和增益随频率变化曲线,实测轴比小于3 dB 的频率范围为3.8～4.5 GHz,相对带宽为17%;在工作频带4～4.4 GHz 内天线增益基本在15 dB 以上,最高增益达17.7 dB。所设计的单元天线在频带4～4.4 GHz 内最佳工作,因此天线阵在该频段内增益稳定,但在两侧边频附近由于失配导致馈电网络消耗能量,造成天线阵的增益降低。其中,4,4.2,4.4 GHz 这三个频点的方向性参数实测结果整理如表1 所示。

表1 天线在不同频点处的方向性参数Tab.1 Parameters of antenna directivity at different frequency points

图9 顶点增益与轴比随频率变化仿真和实测曲线Fig.9 Simulated and measured curves of gain and axial ratio varying with frequency

3 结论

本文提出了一款工作在C 波段的新型正方形栅格圆极化微带天线阵。阵列采用八边形边界使天线阵近似于同心圆环阵来增加方向性图的旋转对称性,并采用顺序旋转布阵技术和调整单元馈电方向的方式使12元天线阵列由5 个右旋圆极化交叠子阵组成,通过这种新型的布阵方式达到12 元天线阵近似实现16 元天线阵辐射性能的效果。利用电磁仿真软件HFSS 进行优化设计,并根据优化出的结果尺寸对该天线阵进行了实物加工测试,取得了较好的实验结果,验证了方案的可行性。

该天线阵结构紧凑且加工简易,可应用于对天线有高增益、小型化以及宽波束等高性能要求的C 波段卫星通信系统中。同时,该款天线阵为后续微带天线阵列的进一步优化提供了相关实验参考和数据支撑。