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应用于方向回溯天线阵的分形双极化天线分析
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2017-11-14
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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。
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。
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