X波段宽带圆极化微带天线的设计

摘 要:介绍一种新型宽带圆极化微带天线。该天线采用同轴线单点馈电,通过在圆形贴片上开C型缝的方法,实现了圆极化并展宽了阻抗带宽;采用层叠结构,使上下两层贴片谐振于相近的频率,从而显著提高了天线的轴比带宽和阻抗带宽。仿真结果显示,该新型天线工作于X波段时,3 dB轴比带宽为13.9%,VSWR

关键词:微带天线;圆极化;宽带;缝隙;层叠结构

中图分类号:TN82文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)01-100-03

Design of X-Band Broadband Circularly Polarized Microstrip Antenna

SHAO Xiaoliang1,ZOU Yongqing2

(1.School of Electronics and Science,Anhui University,Hefei,230039,China;2.East China Research Institute of Electronic Engineering,Hefei,230031,China)

Abstract:A novel single-layer single-patch broadband Circularly Polarized(CP) microstrip antenna is introduced. The antenna is fed by a single coaxial probe.It can not only creat circularly polarized but also enhance the standing wave ratio by embedding a C shape slot in the patch.The simulated results show that the 3 dB axial ratio of this patch antenna is up to 13.9% and the 2 V standing wave ratio bandwidth(VSWR

Keywords:microstrip antenna;circularly polarized; broadband;slot;stacked structure

0 引 言

从微带天线的概念提出以来,因具有结构简单,体积小,重量轻,剖面低,易与载体共形等优点,而广泛应用于卫星通信、雷达、射频识别、导航等领域。其中,圆极化微带天线又因其能够接受任意极化的来波,且其辐射的圆极化波可以被任意极化的天线所接收的优点而越来越受到青睐。微带天线产生圆极化波的关键是产生幅度相等、相位相差90°的两个相互正交的线极化波,即产生两个在空间和时间上都正交的线极化波。为达到上述要求,圆极化微带天线在馈电方式上主要可以分为以下三种形式:单点馈电[1-4]、双点馈电[5-7]或四点馈电[8]。其中,单馈点圆极化微带天线不需要功分器和移相器等正交馈电网络,因此结构最为简单,但缺点是轴比带宽较窄。文献[5-8]中分别采用了双电馈电或四点馈电,不同程度地扩展了圆极化轴比带宽,但都具有馈线结构复杂的缺点。文献[9]采用方形切角贴片,利用层叠结构取得了较宽的轴比带宽,但其采用的是耦合馈电,且阻抗带宽远低于本文提出的新型天线。

本文在对上述结构比较研究之后,通过在贴片表面开槽,并采用层叠结构的方法,设计并仿真了一个X波段单馈点圆极化微带天线,实现了天线阻抗带宽于轴比带宽的同时展宽。利用HFSS模拟仿真以及实测结果表明,这种天线在工作于9.7 GHz时,其阻抗带宽达到了33%,轴比带宽达到了13.9%,且采用了传统的同轴馈电,结构简单,易加工。

1 天线设计与分析

微带天线产生圆极化波的关键是产生幅度相等、相位相差90°的两个相互正交的线极化波,即产生两个在空间和时间上都正交的线极化波。本文提出的天线采用在贴片上开槽的方法实现上述要求。图1为所设计的新型天线结构图。

如图1所示,该天线为层叠结构,采用50 Ω同轴探针馈电。上层贴片倒置于上层介质板,下层贴片与接地板分别位于下层介质板的两侧,上下两层介质板之间用空气层隔开。空气层的引入相当于增加了上层介质板的厚度,因此减小了上层介质板的相对介电常数,即降低了该微带天线的Q值,从而达到了增加带宽的目的。上层介质板:厚度h1=0.5 mm,介电常数ε1=2.94;下层介质板:厚度h3=1 mm,介电常数ε3=2.9;空气层高度h2=2.8 mm,ε2 =1.000 6;总厚度为4.3 mm(约为0.139λ0)。上下两层贴片都是采用在圆形贴片上开C型槽的结构,C型槽由与贴片同心的两道圆弧构成。上层贴片为寄生贴片,半径为 R1;C型槽的内外半径分别为r1和r2。合理地调节r1和r2,使其谐振频率与下层贴片相近,从而使天线的阻抗带宽和轴比带宽都得到明显提高。下层激励贴片半径为R2;C型槽内外半径分别为r3和r4。贴片尺寸根据空腔模型理论[10]分析得出,由腔模理论可得,圆形微带天线为Tmn模时的谐振频率与贴片半径间关系式:

fmn=cχmn2πaεr

式中:χmn是n阶贝赛尔函数的第m个零点,本天线工作于圆贴片微带天线的主模T11模,查表可得χ11=1.841;a是计入边缘效应的等效半径,它与物理半径a′的关系如下:

a=a′1+2hπa′εr(lnπa′2h+1.772 6)1/2

图1 天线结构

由上述关系算出的贴片半径与实际贴片半径仍有偏差,这是因为在贴片上开槽的原因。该C型缝隙使贴片表面的电流发生了绕流,如图2所示。从图2中可以看出,电流流径在缝隙附近发生了一些改变。这种缝隙对贴片表面电流流径的扰动产生了下述两个结果。

图2 开槽后的贴片表面电流

(1) 形成了圆极化辐射波。圆形微带贴片天线在贴片上没有加载缝隙的情况下,通常工作于主模TM11模;当贴片表面加载C型缝隙后,贴片表面的电流流径受到了缝隙的扰动,使主模分离为两个相临近的模式。调节缝隙的尺寸以及缝隙与馈点的相对位置,可以使这两个模式相互正交且相位相差90°,从而形成圆极化辐射。图1中,B点是A点关于C型缝隙的对称点。通过调节,在缝隙的右下方A点馈电可以得到左旋圆极化。此时若改为在B点馈电,由于对称关系,可得到右旋圆极化。

(2) 扩展了阻抗带宽。由于缝隙对电流的微扰作用,在天线的主谐振频率附近形成了两个谐振点。通过调节缝隙尺寸以及馈点位置可以使这两个谐振点逐渐靠拢到一起,并达到较为理想的匹配状况,从而展宽天线的阻抗带宽。

在设计了天线的各项几何参数后,借助高频仿真软件HFSS 10,经多次参数调整及优化仿真,得到了较为满意的仿真结果。

2 仿真结果

通过对天线各项参数的反复调整发现,激励贴片上C型槽半径对天线轴比带宽影响较大。仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

由图3(a)可以看出,保持C型槽宽度不变,随着r3的增大,轴比的两个最小值相互远离,从而天线3 dB轴比增加,但当r3增大到一定值后,轴比的两个最小值之间会超过3 dB。因此选择r3=4.45 mm,r4=4.15 mm。此时,寄生贴片的半径R1=6 mm,C型槽内外圆半径分别为r1=5.25 mm和r2=4.95 mm;上下两层贴片上的C型槽宽度皆为0.3 mm,馈电位置为(-1.5,3)。图3(b),图3(c)为天线VSWR和AR的最终仿真结果图。

由图可以看出,3 dB带宽为13.9%,VSWR

3 结 语

设计了一种新型的单馈电圆极化微带天线。通过在贴片表面开槽的方法,不仅实现了圆极化辐射波,而且达到了展宽阻抗带宽的目的,且因天线采用传统的同轴线单点馈电,所以其结构大为简化,使得天线的应用更为灵活。通过HFSS仿真得到天线的3 dB轴比带宽为35.4%,阻抗带宽达到13.9%。该天线在卫星通信等领域应用前景广泛。

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