应用于方向回溯天线阵的分形双极化天线详细教程

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-13 12:15:00 收藏 已收藏
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应用于方向回溯天线阵的分形双极化天线详细教程

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-13 12:15:00

1 引言

随着通信系统的快速发展,迫切需要低成本、高增益,同时具有自动波束跟踪能力的新型天线的出现。基于相位共轭技术而提出的方向回溯天线(Retrodirective Antenna)能自动发射来波的响应信号(入射信号或者处理后的入射信号)到来波方向,而不需要来波方向的先验知识和复杂的数字信号处理算法。相对于传统天线技术和通常的自适应天线技术,方向回溯天线技术具有快速跟踪的特性和更好的性价比,这一特点使得其在通信、射频识别、共形天线、功率传输等领域中有着广阔的应用前景。

为了减少方向回溯天线阵元数目,实现收发隔离,方向回溯天线阵常采用双极化天线。双极化天线自身具有频率复用、收发一体化、极化分集、提高系统灵敏度、极化捷变等特点。在方向回溯天线阵列系统中应用双极化天线收发一体化的特点,将一对正交极化端口分别用作接收端和发射端,实现收发隔离,使得方向回溯天线在通信系统中发挥更好的作用。

双极化天线馈电结构形式多种多样,通常采用的基本形式有:(1)共面馈电形式,分为角馈和边馈两种基本形式。共面馈电隔离度较差,一般只应用于特定场合或者工程要求不高的情况下;(2)共面和口径耦合相结合馈电形式。这种馈电方式可实现高隔离度,极化纯度较高等优点,但由于馈电在不同介质层上,不易用于天线阵列的设计;(3)口径耦合馈电形式。采用开C形或H形槽来实现高隔离度双极化天线,许多工作者采用这种馈电形式实现双极化。

为提高天线工作带宽和端口隔离度,本文采用了H形槽和电容加载H形槽相结合的口径耦合馈电形式,辐射贴片采用二级Minkowski分形结构,实现了一种高隔离度分形双极化微带天线的设计,将其作为方向回溯天线阵列单元(工作频率范围4.4 GHz ~ 5 GHz)。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS 11.1对该天线进行电磁仿真,并加工实物,利用Agilent N5230A矢量网络分析仪进行实际测试。测试结果显示VSWR<2的相对阻抗带宽H端口达到17.6 %,V端口达到20.5 %,双端口隔离度大于35 dB,天线增益大于8 dB,前后比大于20 dB,仿真和测试结果均满足方向回溯天线系统对天线单元的要求指标。

2 天线设计

分形口径耦合双极化微带天线结构如图1所示,其中图1(a)为天线侧视图,图1(b)为天线的俯视图。天线主要由两层介质板构成,上层介质板采用聚四氟乙烯材料,辐射贴片刻蚀在上层介质板的下表面,这样上层介质板可起到天线罩的作用加以保护。下层介质板采用FR4材料,接地板和馈线分别位于下层介质板的上下两侧,H形和加载H形槽开在接地板上且互相垂直。

两层介质板之间为空气层,这相当于将上层介质板的厚度增加到原厚度与空气间隙之和,因此降低了介质板的平均相对介电常数,即降低了该微带天线的Q值,从而达到了增大频带宽度的目的,同时也有助于提高天线的增益。

为了减小天线尺寸,天线辐射贴片采用二级Minkowski分形结构,分形结构改变了辐射贴片电流分布,使电流沿着曲折的导体面而非简单的几何面分布,相当于增加了电长度,降低谐振频率,因此可以减小天线尺寸。

为提高双端口隔离度,该天线采用H形高隔离度口径耦合形式。由于相互垂直的两个H形开槽占有较大的面积,增加了天线尺寸,所以V端口采用H形开槽,H端口在H形槽的基础上改进为电容加载H形槽,即将H形开槽两臂弯折,因此增加开槽臂长度,提高端口隔离度。通过调整两个馈电开槽和辐射贴片开槽的尺寸长度,可以改善输入端口的阻抗特性,实现辐射贴片的宽频谐振。

应用于方向回溯天线阵的分形双极化天线详细教程

(a)

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(b)

图1 (a) 天线侧视图 (b) 俯视图

3 结果及分析

本文利用Ansoft公司的HFSS软件对分形口径耦合双极化天线进行电磁仿真计算,仿真调试天线尺寸为:上层介电常数εr1 =2.65,下层介电常数εr2 = 4.4;介质板大小W = 40 mm,厚度h = 1 mm;贴片尺寸pa = pb = 16.8 mm,H形槽结构尺寸:xa = 7 mm,xb = 0.5 mm,xc = 6 mm,xd = 0.2 mm;加载H形槽尺寸:ya = 5 mm,yb = 0.8 mm,yc = 6 mm,yd = 0.2 mm,tc = 1 mm;馈线开路枝节尺寸:vt = 2 mm,ht =3.5 mm。

根据上述天线基本尺寸,加工了实物天线。如图2(a)为天线侧视图,图2(b)为二级Minkowski分形辐射贴片。

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(a)

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(b)

图2 (a) 天线实物侧视图 (b) 分形辐射贴片

图3为两端口驻波的仿真与测试结果。由图3可知,仿真得到端口H驻波小于2的频率范围为4.38 GHz ~ 5.168 GHz,相对阻抗带宽为16.8 %,端口V驻波小于2的频率范围为4.27 GHz ~ 5.203 GHz,相对阻抗带宽为19.7 %;实测得到端口H和端口V的相对阻抗带宽分别为17.6 %、20.5 %。说明仿真和测试结果基本吻合,但测试曲线略有偏移,这是由于介电常数分布的不均匀性和测试误差造成的。

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图3 天线双端口VSWR仿真与测试图

天线端口隔离度的仿真和测试结果如图4所示,在工作频率范围内,双端口隔离度仿真结果为S21 ≤ -31.5 dB,测试结果为S21 ≤ -35 dB,说明两端口具有较高的隔离度,可以实现收发隔离的工程要求。

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图4 天线隔离度S

图5表示天线增益的实测结果,可见,在工作频带内天线增益均大于8 dB,满足方向回溯阵单元对增益的要求。

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图5 天线增益

图6为f = 4.7 GHz时仿真和测量得到的方向图。比较仿真和测试结果可知,两端口测得的E面、H面方向图曲线与仿真曲线吻合较好,天线前后比大于20 dB。但是端口V实际测量得到的H面曲线出现了一些波纹,这是由于测试环境和测试条件的影响所致。

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(a)

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(b)

图6 (a)端口H仿真和测试方向图

(b)端口V仿真和测试方向图

4 结论

本文设计了一种方向回溯天线阵列单元,采用口径耦合双极化天线,利用二级Minkowski分形辐射贴片减小了天线尺寸,改进H形耦合槽为电容加载H形槽,提高了两端口隔离度。实测结果和仿真结果吻合良好,实测表明,该天线端口H、端口V的阻抗带宽分别为17.6 %、20.5 %。天线增益达到8 dB以上,前后比大于20 dB,两极化端口隔离度大于35 dB。该天线可用作方向回溯天线阵单元,实现收发隔离,减少方向回溯天线阵元数目,为进一步方向回溯天线阵的研究奠定基础。

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