一种小型宽波束圆极化天线

廖 超 ,卢忠亮 ,彭 强 ,谭祥俊 ,杨雪霞

(1.江西理工大学 信息工程学院,江西 赣州 341000;2.上海大学 通信与信息工程学院,上海 200444)

圆极化天线具有抑制多径干扰和减少极化失配的优点,因此它被广泛应用于各种无线系统中[1-3]。在全球导航卫星系统(GNSS)和无人机(UAV)等诸多系统中,要求圆极化天线具有更宽的3 dB 轴比波束宽度,以提高信号覆盖范围和增强系统的可靠性。

要实现宽波束圆极化,必须使天线辐射场的两个正交分量的幅度在很宽的角度范围内彼此相等。根据这一原理,已有文献提出了实现宽波束圆极化的方法,例如利用三维地板结构[4-8]、增加垂直寄生元件[9-10]或者利用介质柱面透镜[11],但这些设计不仅剖面高而且加工难度大。Luo 等[12-13]提出了两种相似的低剖面天线,这两种天线利用两对平行偶极子,使E 面和H 面的辐射方向图形状彼此相似,实现了宽波束,但它们都是双向辐射的,因此限制了它们的应用场景。此外,也可以在贴片天线中引入短路柱[14-15]或蚀刻缝隙[16-18],调整两个等效磁流的距离,从而实现更宽的3 dB 轴比波束宽度,而这几种设计需要较大的接地面来减少衍射对辐射特性的影响。

本文设计了一种基于SIW 结构的环形缝隙天线,并采用同轴底馈,具有低剖面的特点,还提出了两种方法使电长度接近最优值,以展宽轴比波束宽度。仿真和实测结果表明天线有较宽的轴比波束宽度,可应用于导航系统中。

1 天线结构和设计

1.1 天线结构

天线结构如图1 所示,介质板采用相对介电常数为3.55 的Rogers RO4003,其长L和宽W都是25 mm(0.47λ0,其中λ0为中心频率5.67 GHz 的自由空间波长),厚度H为1.524 mm (0.029λ0)。天线的谐振腔是一个长为Lsiw,宽为Wsiw的准方形SIW 腔,SIW 腔由两层金属层和四列金属化通孔构成。每个通孔的直径为D,相邻两个通孔圆心之间的距离为P。八边环形缝隙蚀刻在顶部的金属层上,缝隙宽度为S。环形缝隙在x轴方向上长度为R1,在y轴方向上长度为R2。在八边环形缝隙的上、下、左、右四个边上各增加了一个阶梯形微带短截线,环形缝隙左右边上的短截线结构大小都相等,它们的长度为L1;上下边上的也相等,其长度为L2。天线用同轴探针馈电,馈电点位置为(Fx,Fy)。

图1 圆极化天线的结构示意图Fig.1 Configuration of the proposed antenna

优化设计,最终的天线尺寸如下:L=25 mm,W=25 mm,Lsiw=22.5 mm,Wsiw=22 mm,L1=5.6 mm,L2=5.6 mm,H=1.524 mm,W1=0.5 mm,W2=0.5 mm,n=4.9 mm,D=1.4 mm,P=1.7 mm,R1=19.7 mm,R2=20.5 mm,S=2.3 mm,Fx=1.5 mm,Fy=2.4 mm。

1.2 宽波束圆极化辐射的机理分析

天线的结构演变如图2 所示,为便于分析,先讨论对应的线极化天线,即天线的馈电点位于x轴上,且天线结构在x轴和y轴两个方向的尺寸一致,即Lsiw=Wsiw=N=22.5 mm,R1=R2=M=19.7 mm,其中M为方形缝隙的边长。

图2 天线结构的演变Fig.2 Evolution of antenna structures

图2(a)是天线1 的等效磁流分布,图2(b)是天线1 的电场分布;可以看到,上、下缝隙中的等效磁流方向相同,而左、右缝隙的等效磁流的方向在中间有一次变向。这与工作在TM01模式的微带方形贴片天线一致。

根据经典微带天线的理论[19],同轴探针激励方形微带天线且馈电位置处于x轴上时,可得xoz面上远场主极化分量Eθ和yoz面上远场主极化分量Eφ的表达式分别如式(1)和(2)所示:

式中:λ为谐振频率对应的自由空间波长;M/λ为方形缝隙边长的电长度。

由于结构的对称性,当馈电位置处于y轴时,在xoz面上的主极化分量Eφ应与式(2)相同。如果在上述两个位置同时对该天线馈电,使其产生等幅且相位相差90°的两个线极化波,就能在边射方向(θ=0°)合成理想的圆极化辐射。轴比(AR)随θ变化的表达式为:

若要实现宽角度的圆极化辐射,则需要Eθ和Eφ在尽可能宽的θ角变化范围内幅度保持一致。

从公式(1)和(2)可以得到Eθ和Eφ在xoz平面上随θ变化的曲线,如图3 所示。可以看到,当M/λ增加时,Eθ的波束宽度迅速减小,而Eφ的波束宽度几乎保持不变。当M/λ达到0.40 左右时,的角度范围最大,可以实现宽波束圆极化辐射。

图3 xoz 面不同M/λ 的Eθ和Eφ方向图Fig.3 Calculated radiation pattern of Eθ and Eφ on xoz plane with different M/λ

图4 给出了图2 中三种天线的反射系数仿真结果。三种天线环隙电边长M/λ如表1 所示,其中f为谐振频率,从图4 和表1 可以看到,天线1 的谐振频率为4.94 GHz,M/λ为0.32,为了实现更宽的轴比波束宽度,应将M/λ增大。但是,如果简单地增大缝隙环边长M,则天线的谐振频率f会降低,λ增大,最终使得M/λ几乎没有变化。

图4 三个天线的Fig.4 of the three antennas

表1 三种天线环隙电边长M/λTab.1 Electric side length of the ring slot M/λ of the three antennas

为了增加M/λ,在环形槽的每个边缘引入了四个阶梯形短截线,如图2(c)所示。这使得环形缝隙上的半波长等效磁流的数量从天线1 中的两个变为天线2中的四个,谐振长度变短,谐振频率增大,从而使M/λ上升到0.35。从图2(c)和(d)还可以看到,天线2中环形缝隙上、下边的等效磁流方向同样是保持不变,与天线1 相同。为进一步增大M/λ,将方形环缝切角得到天线3,如图2(e)所示。由于谐振长度变短,M/λ上升到0.38,更接近于最优值0.4。

1.3 圆极化辐射的实现

图2 中三个天线的结构都具有对称性,它们产生的两个线极化模式的频率是一样的,为了用单馈源同时激励这两个模式,并产生90°的相位差,需要破坏这种对称性。可以调整R2、L1、L2、Lsiw和馈电位置(Fx,Fy)等,让两个正交模式的谐振频率分离,从而产生圆极化辐射。

当R1固定而改变R2时,天线阻抗带宽和轴比带宽的变化如图5 所示。从曲线可以看到,天线有两个谐振频点fh和fl,分别对应着x轴和y轴方向的两个正交的谐振模式。当R2增大时,高频谐振点fh基本不变,而低频谐振点fl向低频方向移动。

图5 R2对和轴比的影响Fig.5 The influence of R2 onand axial ratio

图6 给出了L1和L2的变化对天线性能的影响。当L1增加时,fl下降,而fh几乎不变。当L2增加时,fh减少,而fl几乎不变。只有当fh和fl相互靠近却不相等时,才能激发圆极化。可以看到,阶梯形短截线的引入增加了调谐的自由度,使得在中心频点实现圆极化辐射的同时,能实现宽波束的圆极化辐射。

图6 L1和L2对和轴比的影响Fig.6 The influence of L1 and L2 onand axial ratio

2 仿真及测量结果

图7(a)和(b)是所设计天线的实物照片,使用SATIMO 测试系统测量了天线的辐射性能,图7(c)和(d)是SATIMO 测试系统的测试环境。

图7 制做的天线和测试环境的照片Fig.7 Photograph of the fabricated prototype and test environment

图8 比较了仿真和测量的天线反射系数。实际测量的-10 dB 阻抗频带为5.61～5.85 GHz,相对带宽为4.18%;仿真的结果是5.55～5.79 GHz,相对带宽为4.28%,实测数据和仿真数据吻合良好。

图8 的仿真与实测的对比图Fig.8 Comparison between simulation and measurement of

仿真和实测轴比带宽如图9 所示,3 dB 轴比频率带宽的实测结果为5.66～5.72 GHz,仿真的结果是5.64～5.70 GHz。

图9 轴比的仿真与实测的对比图Fig.9 Comparison between simulation and measurement of AR

图10 是天线在5.69 GHz 时轴比随俯仰角变化的曲线。结果表明,在xoz平面和yoz平面上仿真的轴比波束宽度分别为214°和219°,测量结果分别为220°和178°。

图10 轴比波束宽度的仿真与实测的对比图Fig.10 Comparison between simulation and measurement of axial-ratio beamwidth

图11 是天线的辐射方向图,增益峰值为6.48 dBi,效率达到了80%。天线在主辐射方向上的主极化分量是左旋圆极化,交叉极化鉴别度大于30 dB。在xoz平面上测得的3 dB 增益波束宽度为80°,yoz平面上的3 dB 增益波束宽度是88°。

图11 仿真和实测的辐射方向图Fig.11 Radiation patterns of simulation and measurement

3 结论

本文基于SIW 结构设计了一种圆极化环形缝隙天线。通过分析缝隙环结构中的电场和等效磁流分布,得出了影响轴比波束宽度的重要因素,在此基础上改进结构从而成功地展宽了轴比波束宽度。最后制作了天线实物并进行测试,测试的增益峰值为6.48 dBi,效率为80%。该天线还提供了一个宽的3 dB 轴比波束宽度,其在xoz平面的宽度为220°,在yoz平面为178°,同时还具有0.47λ0× 0.47λ0× 0.029λ0紧凑的尺寸。因其具有低剖面、小尺寸、宽波束的特性,该天线可以在导航系统的便携式终端中得到应用。