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[導(dǎo)讀]  1 引言  微帶天線由于其低成本、低輪廓、小體積、易于集成和共形,以及能方便地實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化等優(yōu)點(diǎn)在各種通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。單饋點(diǎn)圓極化微帶天線由

  1 引言

  微帶天線由于其低成本、低輪廓、小體積、易于集成和共形,以及能方便地實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化等優(yōu)點(diǎn)在各種通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。單饋點(diǎn)圓極化微帶天線由于其簡(jiǎn)潔、緊湊的結(jié)構(gòu),得到了研究人員的廣泛關(guān)注,但其設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過線極化微帶天線和多饋點(diǎn)圓極化微帶天線。常見的單饋點(diǎn)圓極化微帶天線形式主要有開槽貼片、方形切角貼片、準(zhǔn)方形貼片和圓形貼片。由于它們的軸比帶寬較窄,一般不足3%,嚴(yán)重制約了單饋點(diǎn)圓極化微帶天線的應(yīng)用。為了展寬微帶天線的帶寬,人們常采用層疊型微帶結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)上下兩層輻射單元分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)諧振頻率,通過調(diào)節(jié)輻射貼片的尺寸和上下間距使兩個(gè)諧振帶寬緊貼,從而形成雙峰諧振,很好的拓展了微帶天線的帶寬。采用準(zhǔn)方形的層疊結(jié)構(gòu),均獲得了13%以上的軸比帶寬;Kwok Lun Chung等人采用微帶線邊饋的層疊方形切角貼片結(jié)構(gòu),獲得了8%的3dB軸比帶寬;采用探針底饋式饋電的層疊方形切角貼片天線獲得了12.7%的3dB軸比帶寬。

  本文在方形切角貼片可實(shí)現(xiàn)不同旋向圓極化的兩個(gè)饋點(diǎn)位置都加上端口,一個(gè)端口饋電,另一端口附加匹配阻抗。通過饋電端口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)圓極化的工作方式,另一端口的阻抗匹配則起到了降低剖面高度的作用。另外,本文天線采用由兩層方形切角微帶貼片層疊放置的結(jié)構(gòu),形成雙峰諧振回路得到了較寬的軸比帶寬。

  2 天線模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

  天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,由兩層方形切角貼片、空氣層和接地板構(gòu)成。下層介質(zhì):介電常數(shù)εr1,損耗角正切tgδ1,厚度t1 ;上層介質(zhì):介電常數(shù)εr2,損耗角正切tgδ2,厚度t2 ;空氣層厚度為h。

  

 

  圖1 天線結(jié)構(gòu)

  圖2給出了天線的俯視圖并給出貼片的尺寸參數(shù),描述為:下層貼片邊長(zhǎng)p1,切角深度q1;上層貼片邊長(zhǎng)p2,切角深度q2;兩饋電點(diǎn)位置均位于下層貼片的中心線上,饋電端口位于沿x方向的中心線上,距離右邊緣d1;匹配負(fù)載位于沿y方向的中心線上,距離下層貼片的下邊緣d2。

  

 

  圖2 天線俯視圖及尺寸參數(shù)

  天線下層采用t1 = 3mm、εr1 = 4.4、tgδ1 = 0.02的FR-4基片;上層采用t2 = 1.5mm、εr2 = 2.55、tgδ2 = 0.0011的聚四氟乙烯基片。上下層貼片的初始邊長(zhǎng)取為:p1=42.6mm,p2=71.4mm。上下兩方形貼片的微繞量q1和q2的計(jì)算。采用HFSS軟件對(duì)p1、p2、q1、q2、d1、d2、h等參量反復(fù)調(diào)節(jié),以獲取最寬的軸比帶寬。

  3 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

  本文天線的實(shí)測(cè)和仿真駐波曲線如圖2所示。天線實(shí)測(cè)阻抗帶寬(VSWR<2)為1.55GHz ~2.01GHz,約為25.8%的相對(duì)帶寬,實(shí)測(cè)駐波比較仿真駐波比略向高端偏移,但曲線較一致。

  

 

  圖2天線的實(shí)測(cè)和仿真駐波曲線圖

  圖3給出了天線的仿真軸比曲線圖,其仿真的AR<3頻帶范圍在1.652~1.98GHz,相對(duì)帶寬約為18%。圖4給出天線的增益曲線圖,其實(shí)測(cè)值和仿真值較一致。由圖4可知,該天線在低端的增益較小,高端增益較高,在1.96GHz時(shí)最高增益約為7.7dB。[!--empirenews.page--]

  

 

  圖3 天線仿真軸比曲線圖

  

 

  圖4 天線實(shí)測(cè)和仿真增益曲線圖

  圖5給出了天線在1.8GHz時(shí)x-z面和y-z面上的LHCP和RHCP分量方向圖。

  

 

  (a) x-z面方向圖

  

 

  (b) ) y-z面方向圖

  圖5 左旋圓極化時(shí)天線在1.8GHz的仿真方向圖

  本文設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)圓極化特性時(shí),無(wú)論從實(shí)現(xiàn)原理和功能上都與寬帶圓極化微帶天線類似。但由于匹配負(fù)載的引入使得本文天線的帶寬達(dá)到了18%;另外,本文天線具有較低的剖面,本文中天線的中心頻率差不多,而剖面高度之比為0.64:1,粗略折算到同一諧振頻率上,本文形式天線剖面高度是中天線的68%。

  4 結(jié)論

  本文給出了一種具有較低剖面的圓極化寬帶微帶天線。通過層疊型結(jié)構(gòu)的雙層方形切角貼片,實(shí)現(xiàn)了具有較寬軸比帶寬的圓極化微帶天線,其3dB軸比帶寬達(dá)到18%;通過附加匹配負(fù)載,該天線獲得了較低的剖面高度,約為天線的68%。

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