收發(fā)分頻雙線極化微帶天線的應(yīng)用分析

摘要：給出了一種收發(fā)分頻雙線極化層疊型微帶貼片天線的設(shè)計方法，利用雙層貼片諧振于不同的頻率來實現(xiàn)雙頻，通過在貼片的相互垂直方向上饋電來實現(xiàn)雙線極化，從而在收發(fā)頻段上實現(xiàn)雙線極化。本設(shè)計采用HFSS電磁仿真軟件對該天線模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得了在2．03GHz和2．28GHz的兩個諧振峰值，可在發(fā)射頻段和接收頻段分別達(dá)到8．2％和4％的阻抗帶寬。
關(guān)鍵詞：雙頻；雙線極化；層疊微帶天線

0 引言
    近年來，隨著通信信息容量的不斷增大，天線的研究正朝著多極化、多頻段方向發(fā)展。雙極化天線能發(fā)射或接收兩個正交的電磁波，可在同一帶寬內(nèi)發(fā)射兩種信號，因而有利于實現(xiàn)頻率復(fù)用和收發(fā)一體，可將通信容量提高一倍。方形微帶貼片天線以其良好的極化特性和微帶天線本身具有的結(jié)構(gòu)小、重量輕、易與有源電路集成一體化等優(yōu)點而成為研究的重點。微帶天線是在帶導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片構(gòu)成，其輻射由微帶天線邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生。微帶天線具有重量輕，體積小，剖面低，易于共形和易于組陣等諸多優(yōu)點，因而在衛(wèi)星通信、導(dǎo)彈遙測、雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，微帶天線也有其自身的缺點，比如，由于微帶天線的諧振性，其頻帶較窄，因而限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展，為此，研究人員提出很多方法來拓寬微帶天線的帶寬，其中最具代表性的是附加寄生貼片和表面開槽的方
法。
    本文設(shè)計了一種具有層疊結(jié)構(gòu)的雙線極化方形微帶貼片天線，該方法用探針對下層貼片進(jìn)行饋電，并通過耦合作用激勵上層寄生貼片，使微帶天線諧振于兩個諧振點，從而使天線可在兩個頻段上共達(dá)到12．2％的阻抗帶寬，同時，通過給相互垂直方向上的兩個端口正交饋電，還可以成功的實現(xiàn)雙線極化。

1 天線模型及參數(shù)設(shè)計
    本文給出的天線模型如圖1所示。該模型采用正方形微帶貼片，因為正方形微帶貼片具有良好的極化輻射對稱性且易于加工制造。天線通過兩個端口的正交饋電來實現(xiàn)水平／垂直雙極化輻射。由圖1可見，該天線主要由金屬底板、方形輻射貼片和方形寄生輻射元組成，兩層輻射元均印制在邊長為60mm的方形Rogers RT／duroid 5880(介電常數(shù)2．2，損耗角正切0．0009)介質(zhì)板上，下層介質(zhì)板高2mm，上層介質(zhì)板高3mm，兩層介質(zhì)板之間用厚度為1mm的空氣層隔開。兩饋電點的位置均位于下層貼片的中心線上，其中port1位于x方向的中心線上，距離貼片中心距離為d1，port2位于y方向的中心線上，距離貼片中心距離為d2。

    設(shè)上下層貼片的初始諧振頻率分別為2．07GHz和2．25GHz，則由式(1)可計算得到下層貼片的初始尺寸L1為48．9mm。
   
    式中：c是光速；f為諧振頻率；εr是介質(zhì)的介電常數(shù)。
    計算上層貼片的邊長涉及到厚度為1mm的空氣層，可按式(2)計算從上層貼片到接地板之間包括空氣層和兩層介質(zhì)的等效介電常數(shù)(εe=1．83)，再用εe替換(1)式中的εr，從而計算出上層貼片的邊長L2為49．4mm。
   
    式中：i表示介質(zhì)的層數(shù)；hi是第i層介質(zhì)的厚度；εri是第i層介質(zhì)的介電常數(shù)。
    經(jīng)計算，可得出圖1中各參數(shù)的初始尺寸，見表1。

2 仿真結(jié)果分析
    對表1中給出的各參數(shù)的計算值可用仿真軟件HF-SS作進(jìn)一步的優(yōu)化，以便在所要求的設(shè)計頻段內(nèi)(發(fā)射頻段：2．025GHz～2．120GHz，接收頻段：2．2GHz～2．3GHz)得到最好的反射損耗S11參數(shù)曲線，圖2所示是反射損耗S11和端口隔離S12參數(shù)的仿真曲線。
    由圖2可見，在所設(shè)計的頻段內(nèi)，反射損耗最大值也在-6dB左右，大部分都在-10dB以下，即S11小于-6dB的阻抗帶寬在發(fā)射頻段為1．96 GHz～2．13GHz，在接收頻段為2．22GHz～2．31GHz，計算其相對值在發(fā)射頻段和接收頻段分別達(dá)到8．2％和4％，此時兩端口的隔離參數(shù)曲線也都處于-20dB以下，可見端口隔離良好。另外，由于兩端口分別是垂直極化端口和水平極化端口，故也說明極化隔離良好。

    該天線在中心頻率處的增益方向圖如圖3所示，可以看出，該方向圖半功率波束寬度約為2θ0.572°，可以滿足設(shè)計要求的2θ0.5≥60°。
    另外筆者在天線的幾個關(guān)鍵頻點處的增益也做了仿真試驗，它們的增益向保形性良好?？梢怨烙?，在發(fā)射頻段和接收頻段內(nèi)都能滿足半功率波束寬度大于60度的指標(biāo)要求。此外，在各頻點2．02，2．07，2．12，2．20，2．25，2．30GHz的增益值都大于8dBi，并且隨頻率升高，其增益基本呈增大的趨勢。

3 結(jié)束語
    本文提出的收發(fā)分頻層疊型微帶天線通過加載寄生貼片單元后，可形成雙峰諧振特性，從而取得了較寬的阻抗帶寬，而且在阻抗帶寬內(nèi)的仿真增益均大于8dBi。此外，本天線還具有雙線極化特性，其通信信息容量較傳統(tǒng)單極化天線可增大一倍，故可廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)。