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 高增益寬帶圓極化微帶天線陣研究
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發(fā)表于 2009-11-25 08:46:16  只看樓主 
0 引
言
隨著微帶天線技術(shù)的發(fā)展，新形式和新性能的微帶天線不斷涌現(xiàn)。對于便攜式天線，就需要天線在尺寸上更小，并且天線在電性能上更要求寬頻帶、高增益等電特性。前人在天線的這些性能的改進(jìn)上做了相當(dāng)多的工作，但是大多數(shù)都是只在其中的一個(gè)或者兩個(gè)特性上做了改進(jìn)。針對現(xiàn)有存在的問題，本文提出一種具有小型化、高增益、寬頻帶的圓極化微帶陣列天線。研制了S波段小型化寬帶圓極化天線陣實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對天線陣實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的電特性進(jìn)行了測量。測量結(jié)果表明，天線最大增益為15 dB時(shí)，天線陣尺寸僅為295 mm×210 mm，天線陣的電壓駐波比帶寬達(dá)到了12.25％，圓極化軸比小于3 dB，帶寬達(dá)到9.4％，大于文獻(xiàn)[1]中的3.4％。且波瓣寬度分別為64°和20°大于文獻(xiàn)[1]中所提到的63°和9°
1 理論分析與設(shè)計(jì)
本文利用一般微帶天線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)天線單元。并通過對微帶天線的匹配枝節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)阻抗，利用Ansoft HFSS軟件對天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了天線陣的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并通過若干級(jí)二等分功率分配器便可設(shè)計(jì)出饋電網(wǎng)絡(luò)。
1.1 天線單元的設(shè)計(jì)
圓極化天線應(yīng)用面很廣，其實(shí)用意義主要體現(xiàn)在：
(1)圓極化天線可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線收到，故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線；
(2)在通信、雷達(dá)的極化分集工作和電子對抗等應(yīng)用中廣泛利用圓極化天線的旋向正交性；
(3)圓極化波入射到對稱目標(biāo)(如平面、球面等)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)，因此圓極化天線應(yīng)用于移動(dòng)通信、GPS等能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。
微帶天線要獲得圓極化波的關(guān)鍵是激勵(lì)起兩個(gè)極化方向正交的，幅度相等的且相位相差π／2的線極化波。最早的圓極化微帶天線采用正交饋電方式，但這種天線構(gòu)成天線陣元時(shí)，饋電電路之間會(huì)引起不希望有的耦合，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。曲線微帶天線構(gòu)成的寬頻帶圓極化微帶天線不采用開放式的諧振腔，避開了基于諧振系統(tǒng)的輻射。不但有較強(qiáng)的輻射功率，而且有較低的Q值，但是它需要很復(fù)雜的功分器組合電路形成圓極化饋電，不易實(shí)現(xiàn)，而且很難組陣。在采用邊饋微帶矩形貼片單元的基礎(chǔ)上，根據(jù)微擾法，用切角的方法產(chǎn)生兩種正交的TM10和TM01模式，來實(shí)現(xiàn)圓極化，切角尺寸約為λ／10，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)方案使得天線外形更為小巧，使用也更加靈活。


1.2 饋電方式
本文采用邊緣饋電方式對微帶貼片進(jìn)行饋電，由于貼片的邊緣阻抗并不是50 Ω，所以要對輸入端口進(jìn)行阻抗變換。本文用單枝節(jié)匹配方法進(jìn)行阻抗匹配，采用的這種方式饋電有以下特點(diǎn)：陣元的主平面方向圖寬；容易饋電，非常適合組陣；通過改變單元在饋線上的位置可降低交叉極化。
1.3 單元結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
單元示意圖如圖1所示，矩形微帶天線尺寸按下列公式確定：




式中：a為貼片長度；b為貼片寬度；εe為等效介電常數(shù)；f0(λ0)為微帶天線工作的中心頻率(波長)；c為光速(3×108m／s)。
在微帶天線中采用高介電常數(shù)的基板可以減小天線尺寸，但由于基板內(nèi)存在表面波，尤其是當(dāng)介質(zhì)板厚度和工作波長可相比擬時(shí)，表面波的影響就不能被忽略。這樣在采用厚基板的時(shí)候盡管可以拓寬頻帶，但由于表面波損耗的增大，導(dǎo)致天線輻射效率下降。所以在選擇介質(zhì)基板厚度時(shí)，要盡可能地避免激勵(lì)高次模。TM和TE模表面波的截止頻率分別為：


所以根據(jù)式(3)，選用介電常數(shù)εr=4.4的介質(zhì)基片，既能夠使天線的尺寸降低，又能夠保證天線的輻射效率。
1.4 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的微帶天線陣列饋電系統(tǒng)采用的是并聯(lián)側(cè)饋，即利用多個(gè)功率分配器就可將輸入功率平均分配到各個(gè)陣元。為了保證各陣元的饋電相位為同相饋電，采用三級(jí)二等分功率分配器對陣元進(jìn)行饋電，使各天線陣元的饋電均為等幅同相。這樣的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，一致性好，能夠增加天線陣阻抗帶寬，且利于天線的實(shí)現(xiàn)。
2 天線陣的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上設(shè)計(jì)的單元進(jìn)行組陣，單元數(shù)為8(2×4)。對不同天線陣列間距進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，在頻率f0=2.45 GHz時(shí)，對陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時(shí)的天線方向圖進(jìn)行比較(圖2(a))，并且對陣列間距為0.55λ，0.6λ，0.65λ時(shí)增益方向圖進(jìn)行比較(圖2(b))。


圖2所示的是天線在中心頻率時(shí)不同陣列間距時(shí)的xoz面(圖2a)和yoz面(圖2b)的方向圖，由圖2可見在陣列間距為0.55λ時(shí)方向圖對稱并且方向圖的后向輻射幅度比較小，由圖3可見在陣列間距為0.55λ時(shí)天線陣的增益最高，所以在設(shè)計(jì)天線時(shí)選擇陣列間距為0.55λ。圖3給出了天線陣的樣機(jī)圖。


2.1 Smith圓圖和駐波曲線的測量
用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該天線陣的Smith圓圖和駐波曲線以及天線的軸比進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖4及表1所示。


由圖4(b)可知天線的電壓駐波比小于2的帶寬為300 MHz，達(dá)到12.25％，軸比帶寬為200 MHz，達(dá)到9.4％。在要求的頻帶內(nèi)阻抗特性、圓極化特性良好，滿足通信系統(tǒng)的要求。
2.2 方向圖和增益的測量
在微波暗室、遠(yuǎn)區(qū)條件下，用自制的天線遠(yuǎn)場自動(dòng)測量系統(tǒng)對該天線的方向圖進(jìn)行了實(shí)測。在頻率f0=2.45 GHz時(shí)，圖5對實(shí)測的xoz面方向圖、yoz面方向圖和仿真方向圖進(jìn)行了比較�？梢钥闯鰧�(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性良好，3 dB帶寬分別為64°(圖5(a)φ0°，xoz面)和20°(圖5(b)φ=90°，yoz面)，實(shí)測增益為15 dB，實(shí)現(xiàn)了高增益，與仿真結(jié)果基本一致。


3 結(jié)
語
本文研究了S波段小型化寬帶圓極化天線陣的設(shè)計(jì)方法，討論了陣列間距與天線方向圖之間的關(guān)系，論述了微帶天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)現(xiàn)途徑，并研制了S波段小型化寬帶圓極化天線陣實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對天線陣實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的電特性進(jìn)行了測量，測量結(jié)果表明，天線增益為16 dB時(shí)，天線陣尺寸僅為295 mm×210 mm，天線陣的阻抗帶寬達(dá)到了300 MHz，圓極化軸比小于3 dB，帶寬為150 MHz，測試數(shù)據(jù)充分說明了該天線陣具有尺寸小、高增益、寬頻帶特性，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。研究成果可應(yīng)用于工程實(shí)際，且具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
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