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[導(dǎo)讀]摘要:基于左手材料的相位特性,提出了利用集總電容、電感加載構(gòu)造來得到寬帶功分移相器,然后利用該功分移相器結(jié)合L型金屬棒饋電結(jié)構(gòu)來拓展微帶天線帶寬,從而設(shè)計制作工作頻率為1.8 GHz、軸比小于3 dB的相對帶寬為

摘要:基于左手材料的相位特性,提出了利用集總電容、電感加載構(gòu)造來得到寬帶功分移相器,然后利用該功分移相器結(jié)合L型金屬棒饋電結(jié)構(gòu)來拓展微帶天線帶寬,從而設(shè)計制作工作頻率為1.8 GHz、軸比小于3 dB的相對帶寬為40%、S11小于-10 dB的相對帶寬為32%(1.40-1.95 GHz)的天線設(shè)計方法。
關(guān)鍵字:左手微帶線;功分器;寬帶圓極化貼片天線

O 引言
    近年來,隨著現(xiàn)代微波通信的發(fā)展,寬帶圓極化微帶天線的發(fā)展越來越受到研究者的重視,各種形式的寬帶圓極化微帶天線層出不窮。而左手材料則以其基于集總電容、電感周期加載結(jié)構(gòu)的形式更被廣泛地應(yīng)用到寬帶化、小型化微波器件領(lǐng)域。在有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種中心頻率為1.8 GHz的寬帶90°功分移相器,并通過L型探針結(jié)構(gòu)給微帶貼片饋電,從而提高了這種天線的圓極化帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)
    該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。該天線通過Wilkinson功分移相器將輸入能量分成兩路幅值相同、相位差為90°的信號。這兩路信號通過探針耦合饋電到圓形輻射貼片。這種結(jié)構(gòu)可以在金屬棒和天線金屬片之間引入更大的容抗,從而可以補(bǔ)償探針本身帶進(jìn)來的高感抗,進(jìn)一步增加天線和底板之間的高度。為了盡最大可能增加帶寬,本設(shè)計引入的混合空氣介質(zhì)層不失為一個非常有效的方法,該方法不但可以方便地得到介電常數(shù)為1的空氣層,而且可以在普通的介質(zhì)層上方便的印刷饋電網(wǎng)絡(luò)。為了擴(kuò)展天線的圓極化帶寬,本文使用了寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu),該天線由三部分組成,其中基于介質(zhì)板的饋電網(wǎng)絡(luò)層的輸入特征阻抗為50Ω,介質(zhì)板為邊長W的正方形;而處在空氣層中半徑為Rs的L型金屬棒的長度為L1,高度為H1,超出天線的邊緣距離為S1;第三部分是用于輻射的金屬片,其直徑為D,離地面的高度為H。


    圓形貼片的主模是TMll模,根據(jù)上述天線結(jié)構(gòu),TMll模的場能量集中在空氣層。若激勵單元的諧振頻率為f,激勵模式為TMll模。那么,當(dāng)貼片形狀為圓形,激勵板半徑為a時,則有:
   
    根據(jù)上述公式,選擇基片的介電常數(shù)和厚度,就可以得到需要頻率點的初始圓形貼片尺寸。本設(shè)計選擇基片厚度為0.8 mm,介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)板Arlon Diclad 880(tm)做饋電網(wǎng)絡(luò)的基板,空氣層介電常數(shù)為l,中心頻率為1.8GHz。而在確定圓盤高度時,為了擴(kuò)展帶寬,可將貼片與基板間距離拉大,但是,隨著它們之間高度的增大,方向圖將不再具有良好的輻射特性,且?guī)捲黾訉⒉辉倜黠@,一般可將高度選擇在0.1~0.15λ之間,同時為了能讓L型金屬棒起到更好的饋電作用,這里取H=20 mm(0.11λ)比較合適。通過公式(1)可以得到初始圓形貼片的直徑為104 mm。其他參數(shù)的取值為:W=180 mm,L1=36 mm,H1=ll mm,Sl=14 mm,Rs=l mm。通過HFSS軟件的優(yōu)化仿真,可得到最佳貼片直徑D為76.5 mm。

2 寬帶功分饋電設(shè)計
    Wlnkinson功分器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該功分器可以看作一個三端口網(wǎng)絡(luò)。端口1為輸入端,端口2、3為輸出端,兩端間互相隔離。功分器的兩個分支線的特征阻抗是。對兩個輸出端分別加入CRLH-TLs和傳統(tǒng)傳輸線,則可使兩端口具有90°的相位差。

   假設(shè)3端口為普通傳輸線,在中心頻率f0=1.8 GHz處的相位為-54°,那么,通過Agilent公司的ADS軟件計算得到的線長為18.3 mm。由于普通傳輸線的線性特性,可以很容易得到f1=1.5 GHz和f2=2.1 GHz處的相位分別為φR(f1)=-45°和φR(f)=-63°。
    2端口加入CRLH-TLs后,頻率f1和f2處的相位


      根據(jù)式(6)可以得到CRLH-TLs中RH-TLs的結(jié)構(gòu),再由式(5)、(7)以及匹配阻抗可得到L、C的大小值。取N=2,可得到RH-TLs的長為3.1-mm,LH部分L=11.5 nH,C=4.6 pF。這樣,便可使用ADS搭建電路并優(yōu)化仿真。

3 仿真結(jié)果
    圖3所示為仿真得到的S11、S21、S31、S22、S33和S23參數(shù)曲線,圖4所示為加入左手結(jié)構(gòu)后兩端口的相位比較。


    從圖3所示的S參數(shù)曲線和圖4所示的相位比較圖可以明顯發(fā)現(xiàn),加入CRLH-TLs結(jié)構(gòu)后,兩端口的傳輸特性仍能達(dá)到要求,而且在1.28~2.53GHz范圍內(nèi)的端口相位差滿足90°±5°,這是普通微帶線根本無法比擬的。


    根據(jù)未加入饋電網(wǎng)絡(luò)時軟件仿真結(jié)果,本設(shè)計的雙饋點圓極化天線結(jié)構(gòu)的S11小于-lO dB時的帶寬為30%(1.46~1.94 GHz),增益>5 dB時的帶寬為62.2%(1.25~2.37 GHz)。顯然,相對于普通介質(zhì)基板的圓極化天線,新天線的帶寬已有了很大的提高。

4 結(jié)束語
    本文用左手微帶線和傳統(tǒng)的右手微帶線分別級聯(lián)在Wilkinson功分器上,并將其作為寬帶天線的饋電網(wǎng)絡(luò);從而設(shè)計了一種新型寬帶圓極化貼片天線,該天線在各項性能指標(biāo)上均表現(xiàn)突出,各項指標(biāo)較傳統(tǒng)雙饋電型圓極化天線均具有顯著提高。

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