双极化宽带天线（共5篇）
双极化宽带天线 篇1
1 引言
本文设计了一种通过四点正交馈电的高增益罩杯天线, 该天线采用圆形罩杯和金属圆盘贴片相结合。通过多个圆盘贴片谐振在不同的频点来展宽天线的阻抗带宽, 同时利用不同尺寸的反射罩杯来改变天线单元增益。天线的馈电网络由一个90o电桥和两个180o环形电桥组成。通过HFSS对天线单元结构尺寸进行优化分析, 结果表明天线的S11在工作带宽 (2Ghz-2.3Ghz) 范围内小于15d B。天线方向图法向轴比在±13o范围内小于1.5d B, 增益大于14d B。这种结构的圆极化天线在一些小角度扫描相控阵天线系统具有广泛的应用前景。
2 圆极化辐射单元设计
天线结构形式如图1所示分为2个部分。上层为罩杯天线, 下层为天线的馈电网络。罩杯天线为4层结构, 上3层为辐射金属圆盘, 最下层为金属反射罩杯。辐射金属圆盘通过一个金属圆柱支撑杆串连起来。罩杯天线的4个馈电点位于最下层的金属圆盘贴片。为了实现罩杯天线辐射场的左右旋圆极化可变, 天线的馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成如图2所示。通过激励90o电桥不同输入端口实现输出端口相位0o、90o、180o、270o和270o、180o、90o、0o变化。
通过HFSS对天线单元优化仿真。优化后的模型如图1所示。天线结构参数如表1所示。图2分别给出了天线单元输入端口的S11参数、远场方向图、轴比特性的仿真结果。可以看出罩杯天线输入端口S11在整个工作带宽 (2Ghz-2.3Ghz) 范围内小于-16d B, 两个输入端口之间的隔离度小于-12d B。轴比在±13o范围内小于1.2d B。
3 结论
本文设计了一种可用于小角度扫描的宽带高增益双圆极化天线。该天线采用四点馈电, 馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成。通过对天线单元的仿真, 结果表明该天线在工作带宽 (2Ghz-2.3Ghz) 范围内天线S11小于-15d B、增益大于14d B、轴比在±13o范围内小于1.5d B。该天线可广泛应用于小角度扫描的相控阵天线系统。
摘要：本文设计了一种新型宽带高增益双圆极化天线, 该天线采用圆形罩杯和多个金属圆盘贴片相结合的层叠结构。通过改变圆形罩杯和金属圆盘贴片直径的大小来调节天线单元的增益以及天线的阻抗带宽, 得到了良好的效果。天线通过四点正交馈电方法实现圆极化辐射。馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成。通过激励90o电桥两个输入端口实现天线左右旋圆极化变换。采用商业仿真软件HFSS对天线结构尺寸进行优化设计, 仿真结果表明该天线具有结构形式简单、增益高、带宽宽、轴比性能好等优点。该天线适合用于一些小角度扫描的相控阵天线系统。
关键词：圆极化,宽带,高增益,轴比
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双极化宽带天线 篇2
1 天线单元的设计
设计的天线单元结构如图1所示,图1(a)为天线单元的侧视图,图1(b)为天线单元的俯视图。天线的主体由三层介质板组成。方形辐射贴片倒置于第一层介质板的下面,这样布置可使介质板起到天线罩的作用。第二层介质板上面是开缝接地板,刻有一对H型缝隙成轴对称结构。为了实现良好的交叉极化和隔离度特性,2个H型缝隙呈T字型放置。两层介质板之间由空气层隔开,引入空气层以降低微带天线Q值,从而达到增加带宽的目的。第三层介质板把实现双极化的两套馈电网络隔开,有利于网络布线和提高隔离度。馈线由两个相互正交的50Ω微带线组成,微带馈线均采用中心正馈的方式,以增强辐射贴片与馈线之间的耦合。为了减少H型缝隙所引起的背向辐射,在离接地板四分之一波长处加了一块金属反射板,这也有利于提高天线的增益。辐射单元采用εr1=2.2,h1=1 mm的聚四氟乙烯板,馈电介质板采用εr2=εr3=3.38,h2=h3=0.305 mm的陶瓷碳氢混合物板。
根据口径耦合微带天线的传输线模型理论[5],初步确定天线的几何尺寸(包括贴片尺寸、缝隙尺寸、馈线开路枝节的长度)。天线单元的等效电路如图2所示。
式中n1为口径和贴片的耦合系数,n2为馈线和口径的耦合系数;Ypatch和Yap分别为贴片和口径的导纳。
a为天线单元长度,x0为缝隙的位置。
谐振频率主要由n12Ypatch+Ya p决定。通过调节开路终端微带馈线的长度和H型缝隙的尺寸、位置以及辐射贴片的大小来改善天线的阻抗匹配特性,以形成双频谐振点和提高端口的频带宽度。完成初步设计后,得到满足电性能指标的结构参数,最后用电磁仿真软件对天线的结构参数进行优化,优化后天线单元各参数如表1所示。
2 天线阵列的设计
2×2元微带天线阵的馈电网络分布如图3所示。馈电网络采用并馈形式,由多个T形功分器连接,其中采用多节阻抗变换器进行阻抗匹配以便展宽频带。设计中充分考虑了馈电网络中不必要的辐射和损耗对天线增益带来的影响[6,7]。为了抑制交叉极化[8],馈电网络设计中应用了错位倒相技术。对于水平方向的相邻贴片,水平极化端口间采用等幅反相馈电,垂直极化端口间则采用等幅同相馈电;对于垂直方向的相邻贴片,水平极化端口间采用等幅同相馈电,而垂直极化端口间采用等幅反相馈电。这种馈电方式使得激励的主极化辐射同向叠加,交叉极化辐射反向抵消,同时也改善了2个极化端口的隔离度[9]。天线阵阵元间距为17 mm(约0.7λ1,中心频率为12.3 GHz;约0.8λ2,中心频率为14.2 GHz)。
3 天线阵仿真与实测结果
基于以上设计,用电磁仿真软件CST2008对该天线阵进行了电磁仿真和优化,仿真得到天线阵两端口的驻波比如图4所示,两端口的隔离度如图5所示。根据优化结果制作了四元天线阵实物模型如图6所示。
使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线阵两端口驻波比和隔离度进行了测试,测试结果分别如图4、图5所示。水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为18.3%;垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为10.24%。在11 GHz～15 GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于35 dB。测试结果和仿真结果吻合较好,可见该天线阵具备良好的带宽和双频特性。
最后,对天线阵的方向图进行了测量。图7给出了天线阵在水平极化端口12.3 GHz频率处仿真与实测E面和H面远场方向图。图8给出了天线阵在垂直极化端口14.2 GHz频率处仿真与实测E面和H面远场方向图。在12.3 GHz频率处,实测天线阵最大增益为13.3 dB,主瓣方向为天线法线方向。主瓣宽度E面约为33.8°,H面约为35.4°,第一旁瓣电平为-13.6 dB。在14.2 GHz频率处,天线阵最大增益为11.9 dB,主瓣宽度E面约为31.2°,H面约为29.5°,第一旁瓣电平为-10.9 dB。实测天线方向图和仿真结果略有偏差,可能是因测试环境影响所致。实测结果表明:该天线阵电性能和辐射特性良好,并能满足工程应用要求。
综合运用口径耦合馈电、错位倒相馈网技术和单层微带贴片结构设计了一种用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化四元微带天线阵。设计的双频双极化天线阵水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为18.3%;垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为10.24%。在11 GHz～15 GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于35 dB,实测天线阵最大增益为13.3 dB,测试结果与仿真结果吻合较好。该天线阵电性能和辐射特性良好,可作为高增益宽带双频双极化微带天线阵组阵的子阵,满足其在卫星通信、车载雷达通信和散射通信等领域的工程应用。
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双频双圆极化北斗天线的设计 篇3
关键词：北斗卫星导航系统,微带天线,圆极化,小型化
北斗卫星导航系统 (Bei Dou Navigation SatelliteeSystem, BDS) 是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统, 是继美国全球卫星定位系统 (Global PositioninggSystem, GPS) 和俄罗斯全球卫星导航系统 (GloballNavigation Satellite System, GLONASS) 之后第3个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端3部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站。北斗卫星导航系统中的S频段和L频段可以实现位置定位和北斗短信的收发, 在日常交通特别是在海洋运输和渔船劳作中发挥着重要的作用。
天线作为收发信号的转换媒介对通信系统至关重要。由于电磁波在穿透电离层时会发生法拉第旋转效应, 线极化电波信号会产生极化面相对入射波的旋转, 而圆极化对所有的平面极化效应相当且不需要地球平面作为参考, 因此卫星通信中通常采用圆极化天线[1,2]。圆极化天线的主要特点体现在[3]: (1) 圆极化天线可接收任意极化的来波, 且其辐射波也可由任意极化天线收到。 (2) 圆极化天线具有旋向正交性。 (3) 极化波入射到对称目标时旋向逆转, 不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。
北斗卫星通信系统采用圆极化信号进行传输, 其中L频段采用左圆极化发送终端设备的短信、定位申请等信息;S频段采用右圆极化接收短信、定位信息等。天线是无线电设备中用于发射和接收电磁波的部件, 其尺寸直接影响着设备体积, 为减小天线对设备体积的影响, 在无线通信系统中常采用电磁波在传播时产生波长缩短效应的微带天线。微带天线具有剖面低, 能与载体共形, 制造成本低, 易于批量生产等多功能特点, 广泛应用于卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备中[4,5]。采用工作在不同频段的多个微带天线层叠起来, 可以使天线实现多频段操作。如文献[6]中提出一款双层贴片天线, 利用正交馈电的方式实现GPS的L1、L2频率。目前较常用的北斗终端天线尺寸较大, 不利于手持移动设备的使用。为缩小天线的尺寸, 且不影响系统接收信号的质量, 本文提出了一种工作在L频段和S频段的双频微带天线的设计方案。双频北斗天线由两层贴片构成, 上层贴片工作在高频的S频段, 下层贴片工作在低频的L频段, 使用单馈电法实现L频段的左圆极化和S频段的右圆极化, 仿真结果表明本天线在两个频段的回波损耗S11均<10 d B, 各项指标均能达到北斗导航卫星系统对天线的参数要求。
1 天线结构及设计原理
工作在L频段和S频段的北斗天线采用双层贴片结构, 两层贴片间填充高度为h1和h2、介电常数为εU和εD的介质, 其结构如图1所示, 上层贴片为边长L1的正方形工作在S频段用于接收北斗卫星系统发射的右圆极化 (RHCP) 定位信号, 下层贴片为边长L2的正方形工作在L频段用于发射左圆极化 (LHCP) 短信信号。
1.1 天线尺寸的确定
根据传输线理论, 基片介电常数为εr边长为L厚度为h的正方形贴片所形成的天线, 如图2所示, 其工作频率为[7]
式中, c为自由空间的光速3×108 m/s;Δl为传输线模型的等效长度;εe为等效介电常数。
根据式 (1) ~式 (3) 和天线工作频率f, 即可得到天线长度L。
1.2 天线右圆极化的实现
天线的圆极化通过对天线的两极加入互相正交的极化波实现, 通常采用单馈法和双馈法。双馈法天线由输入端来的电磁波经电桥移相90°后分成两路馈电, 因此, 双馈法需要引入电桥增大天线的体积。为保证天线的小型化故本天线采用单馈法, 单馈法无需任何移相网络和功率分配器就可实现圆极化辐射。基于空腔模型理论, 利用两个辐射正交极化波的简并模, 并在腔体内引入某种不对称性, 以便消除这两个模的简并性。当设计得当时, 其中一个模电压的相位比所加电流超前45°, 而另一个模的相位则滞后45°, 故其远区辐射场将为圆极化波[7]。
采用将贴片的对角切掉边长为a的等腰直角三角形, 从而对贴片幅射的电磁场产生微扰动的方法可以实现圆极化, 且切掉的三角形面积与贴片天线面积之比必须满足
其中, S为贴片的面积;ΔS为切掉的等腰三角形的面积, 如图3所示, 本天线的S段天线即采用这种方法实现的。
1.3 天线小型化研究与左圆极化实现
便携式设备的小型化、微型化已成为趋势。由于天线的谐振频率与贴片的等效谐振长度成反比[8], 因此在贴片天线的表面开槽, 可以增加贴片的电流路径的长度, 相当于天线的有效长度增大。从而在天线谐振频率固定的情况下, 缩小了天线的几何尺寸。
因此, 下层天线采用表面开U型槽的贴片, 如图4所示, 在边长为L2的正方形贴片上开U型槽, 左臂长LW, 右臂长为RW, 底边长为DW。当U型槽的左右臂长相等时, 即LW=RW, 天线产生线极化波;当U型槽的左臂长LW大于右臂长度RW时可以实现左圆极化;而当U型槽的左臂长LW小于右臂长度RW时天线辐射右圆极化波。为此, 用于手持设备发送短信的L频段天线采用不对称臂的U型槽结构, 实现天线辐射左圆极化波。
由式 (1) 可知介质的介电常数的平方根与频率成反比, 因此增大介质的介电常数也可有效缩小天线的尺寸。但是高介电常数会提高辐射品质因数, 从而增大天线的Q值, 减小天线的带宽。如果天线带宽太窄, 当信号发生漂移时将无法收到带外信号, 因此介电常数又不能无限增大。
因此本天线下层介质采用介电常数较高的RogerssRO3006。使用高介电常数 (εr=6.15) 且开槽的天线较使用低介电常数 (εr=4.4) 的正方形贴片几何尺寸 (长度为43.6 mm) 减小24%。
2 天线仿真结果与分析
应用Ansoft公司的HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真, 经优化后, 当上层贴片边长L1=26.18 mm, 对角切角边长a=6.25 mm, 介质厚度h1=1.5 mm。下层贴片边长L2=33 mm, U型槽左臂LW=10.25 mm, 右臂RW=8.1 mm, 开槽宽度w=1.5 mm, 底端开槽长度DW=3.9 mm, 底端到中心距离D=3.9 mm, 介质厚度h2=2.1 mm时天线性能达到最优, 天线的S11分布如图5所示。
如图5所示, 天线在L频段内的回波损耗, S11<-10 d B带宽为26 MHz;在S频段内的回波损耗S11<-10 d B带宽为63 MHz。
图6是天线在L频段的E面方向图和H面方向图, 其中实线为左圆增益 (LHCP) 虚线为右圆增益 (RHCP) 。由图可知, 天线的左旋增益可达3 d B天线E面的3 d B波瓣宽度达到150° (-75°~75°) H面的增益达到3 d B且3 d B波瓣宽度也达到145° (-70°~75°) 。LHCP电平>RHCP电平15 d B以上, 可见, 该天线在L频段具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰能力。
图7为天线在S频段的E面方向图和H面方向图, 其中实线为右圆增益 (RHCP) 虚线为左圆增益 (LHCP) 。由图可知, 天线的右旋增益可达4 d B天线E面的3 d B波瓣宽度达到130° (-65°~65°) , H面的增益达到3 d B且3 d B波瓣宽度也达到160° (-75°~85°) 。RHCP电平大于LHCP电平15 d B以上, 可见, 该天线在S频段具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰的能力。
3 结束语
本文设计的单馈电法能够应用于移动手持设备的双频北斗终端天线, 天线工作在L (1 615 MHz) 和S (2 491 MHz) 频段。天线上层采用正方形切角引入串扰的方法在S频段实现右圆极化, 下层贴片采用不对称臂U形槽结构在L频段实现左圆极化, 在两个频段上均能实现北斗对天线性能指标的要求, 且体积小、厚度薄、结构简单、易于加工, 有利于北斗设备的使用和推广。
参考文献
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双极化宽带天线 篇4
申请公布号:CN105591203A
申请公布日:2016.05.18
申请人:南京理工大学
地址:210094江苏省南京市孝陵卫200号
发明人:张金栋;汪敏;陈春红;吴文;方大纲;邓小东;张铎;崔璨
双极化宽带天线 篇5
双极化天线是在1996年的IEEE天线和传播年会上首次被列为一类研究课题的, 它除了保留了微带天线体积小、重量轻、易共形、易于集成等优点外还具有其特有的优点, 即:频率复用、收发一体化、极化分集和极化捷变。
正是基于双极化所特有的优点以及其所具有的的广泛前景, 越来越多的人在从事这方面的研究工作。衡量双极化天线的指标除了传统微带天线的衡量指标如:增益、带宽、波束宽度、前后比外, 更重要的性能指标是端口隔离度和交叉极化电平。当前研究最多的是馈电方法就是口径耦合馈电[1,2], Vivek用实验验证了H型耦合槽可以得到较大的耦合量, 根据这个理论文献[3,4]提出了在接地板上开H型槽给端口馈电, 这种方法增加了带宽和隔离度。文献[5]在此基础上提出了将两个H缝隙改为T型缝隙, 带宽和隔离度都有所提高, 但是交叉极化特性一般。以上研究都是基于提高带宽, 导致隔离度很难高于30d B。
本文在分析研究了现有的双极化微带天线馈电方式基础上, 从提高端口收发隔离度和降低交叉极化电平出发, 研究出了一种新型L型探针馈电的双极化微带贴片天线。
1 天线结构设计
该天线的结构如图1所示, 由下往上看整个天线结构分为五层:第一层是长为LGND=250mm的方形金属接地板;第二层是厚度h2=10mm的空气层;第三层是边长为a=137mm的辐射贴片;第四层是边长为b=180mm, 厚度为h1=2mm, 介电常数为2.65的方形介质基板;第五层是L型探针末端的曲折微带条。具体参数如表1所示。第一层金属接地板和第四层介质基板之间采用塑料支撑柱支撑。探针的曲折微带条和辐射贴片分别位于介质基板上下两侧, 能量通过L形探针传到曲折形微带条, 并与下方的贴片耦合将能量辐射出去。这样设计有两点好处:一是贴片上方的介质基板可以起到天线罩的保护作用;二是这种曲折微带条结构可以增加端口间隔离度。
2 天线仿真与结果分析
由图3可以看出该天线在中心频率915MHz点处, 端口输入阻抗实部接近50欧, 虚部感抗值接近于0亨, 说明天线端口几乎达成匹配状态。从图4中端口S11曲线可以看出天线的中心频率在915MHz附近, 在电压驻波比VSWR<1.5 (S11<-14d B) 时, 天线的工作频段为907MHz~929MHz, 相对带宽为2.4%;从S21曲线可以看出在天线工作频带内S21<-37d B, 也就是端口间隔离度好于37d B, 在中心频率附近端口隔离度达到最高, 超过了42d B。该天线的端口隔离度性能远远超过了工程要求的20d B。由图5端口的E面 (x-z) 图可看出, 该天线辐射方向上的交叉极化电平小于-35d B;由图6端口的H面 (y-z) 图可看出, 该天线辐射方向上的交叉极化电平小于-20d B。也就是说天线端口的交叉极化满足工程要求 (-20d B以下) 。
3 结论
本文提出了一种中心频率为915MHz的新型曲折L型探针馈电的双极化贴片天线结构, 并用HFSS仿真软件对其主要参数进行了仿真计算。本文改进了传统的L形探针馈电方法, 采用了曲折微带条作为同轴线末端馈电结构结构, 采用这种结构可以较大程度上提高双极化天线两端口间隔离度。实验测量表明, 这种新型结构的双极化天线驻波比VSWR<1.5 (S11<-14d B) 时的相对带宽为2.4%, 带内隔离度为37d B, 具有较高的端口收发隔离度;而且天线辐射方向上的交叉极化电平小于-20d B, 满足工程需要, 这种微带结构可以用于射频识别读写器天线。
随着科技的快速发展, 在小型化, 多频段, 宽带宽, 高隔离, 低交叉极化等方面对双极化天线提出了更高的要求, 所以接下来的工作中, 我们还可以在小型化和带宽方面对该天线做进一步的改进。
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