1、#天饋伺系統#中圖分類號:TN 820文獻標識碼:A 文章編號:1004-7859(200907-0074-04寬帶雙極化微帶天線中不同寄生單元的研究李迎林,李建新(南京電子技術研究所, 南京210013摘要:在層疊結構寬帶雙極化微帶天線單元中,常見的是寄生單元和主輻射單元形狀相同,尺寸略微不同。目前,寄生單元形狀與主輻射單元不同的寬帶雙極化微帶天線結構極少有報道研究。文中提出了2種新型天線結構和2種常見結構,即正方形-圓形、正方形-圓環、正方形-正方形、圓形-圓形4種組合。計算結果表明:不同的單元組合,得到的天線電性能不同,新型結構與常見結構相比,在隔離度和交叉極化電平等性能上較優。關鍵詞:

2、微帶天線;寄生單元;寬帶;隔離度;交叉極化A Study on D ifferent Parasiti c E le m ents of Dua-l pol ari zed andW i de -bandM icrostri p Patch AntennaL I Y i n g -lin ,LI Jian-x in(Nan ji n g Research I nstitute o f E lectron ics T echnology , N an jing 210013,Ch i n aAbstrac t :In t he stacked broadband and dua -l po l

3、a rizedm icro stri p antennas ,t he co mm on struc t ure is such that the shape o f the par -as itic and t he m a i n e le m ents a re the sa m e and their size is a little different .A t presen t ,the stacked struc t ure w it h t wo rada tion e l e -m ents of d ifferent shapes hasn t 'been repo

4、rted and stud i ed .In t h is paper ,t w o nove l antennas and t wo co mmon antennas are pro -posed :square -square ,circu l a r -circu l a r ,square -c i ucu l ar ,square -ring type.F ro m results o f si m ulati on ,w e see:different co m bina ti on has d ifferent per f o r m ance .T he nove l stru

5、c t ures are bette r than the co mmon ones i n ter m s of i so lation bet w een t wo ports and purity of po l ar izati on .K ey word s :m i crostrip antenna ;paras iti c e l em ent ;bandw i dth ;iso lati on ;c ross -po lariza tion通信作者:李迎林 Ema i:l li y i ng li n666sina .co m 收稿日期:2009-02-18修訂日期:2009-

6、05-190 引 言微帶天線自誕生至今,已得到國內外眾多學者的深入研究。與此同時,微帶天線的應用也越來越廣泛,工程需求的技術指標也越來越高。因此,對寬帶雙極化微帶天線的研究有著重要的理論和現實意義。目前,文獻中常見的寬帶雙極化微帶天線有2個顯著特點:(1多采用層疊結構,寄生單元和主輻射單元形狀相同,尺寸略微不同2-6。這樣既保持了天線的良好對稱性,有利于抑制交叉極化電平,同時又便于調諧。(2采用口徑耦合的饋電方式。口徑耦合的饋電方式是pozar 在1985年首次提出1。與其他饋電方式相比,其能夠得到更大的帶寬,同時將輻射單元和饋電網絡分開,減少了微帶饋線對天線輻射元的干擾7。寬帶雙極化微帶天線

7、工作性能的優劣很大程度上取決于交叉極化、隔離度的抑制和寬帶的實現。交叉極化和隔離度的抑制目前主要采用的技術有:(1保持天線單元和饋電位置的良好對稱性;(2采用錯位倒相饋電技術;(3采用光子晶體結構8。受加工技術的制約,對于單元,最方便有效的莫過于第一點。那么,有沒有其他的對稱結構的單元能夠實現很好的交叉極化和隔離度特性呢?本文做了一些有益的嘗試。計算結果表明新型天線與常見天線相比,具有較優的電性能,尤其在隔離度和交叉極化性能上,具有重要工程應用前景。1 天線的設計與仿真本文僅給出正方形-圓形天線結構設計過程,其他3種天線單元結構只給出示意圖和最終設計參數,如圖1所示,把天線主體剖分為8層,第1

8、層和第4層分別為圓形寄生貼片和正方形主輻射貼片。第2、3、5、7層為介質層。第6層為接地面,其上面開有2個正交的矩形孔徑,饋線通過孔徑耦合能量。第8層為饋電層。天線第2、5層介質板選用Dur o i d 5880,第3層介質板選用泡沫,第7層介質板選用陶瓷板,工作中心頻率為5.2G H z ,依據傳74第31卷 第7期2009年7月現代雷達M odern R adarV o.l 31 N o .7Ju l y 2009輸線模型中的公式7L =c2f 0E eff(1E eff =E 3+12+E 3-1211+12h 3/L (2 $L =0.412h 3(E eff +0.300(L /h

9、3+0.262(E eff -0.258(L /h 3+0.813(3L =(c /2f 0E eff -2$L(4f mn =c V c mn /2P a E 1(5a =a c 11+2h (ln(P a c /2h +1.7726/P a c E 121/2(6式中:c 、f 0、E eff 、$L 分別為真空中光速、天線工作中心頻率、等效介電常數、輻射邊緣場的補償尺寸。通過迭代式(1式(4可以求出正方形貼片邊長L 。a 為圓形貼片的有效半徑,V mn 為J c n (x的第m 個零點,由于 圓形寄生貼片工作的主模為T M 11模,所以我們取f 11=f 0,V 11可以查表取1.841

10、2,通過迭代式(5、式(6可求出圓形貼片物理半徑a c 。圖1 正方形-圓形天線結構示意圖本文選用H FSS 軟件進行仿真。軟件優化后的天線結構參數為E 1=2.2,E 2=1.08,E 3=2.2,E 4=4.2,h 1=0.254mm ,h 2=4.8mm ,h 3=1.524mm ,h 4=0.508mm ,w 1=1.9mm ,w 2=1.1mm ,L 3=10.4mm ,L 4=13.5mm ,R =20.1mm ,L 4=13.5mmE 1、E 2、E 3、E 4、h 1、h 2、h 3、h 4分別為第2、3、5、7層介質板的介電常數和厚度,w 1、w 2、w 3、L 1、L 2、

11、L 3、L 4分別為饋線寬度、孔徑寬度、開路枝節的寬度、孔徑中心到1端口的距離、開路線長、孔徑長度、孔徑中心到2端口的距離,R 為圓形貼片直徑。至此,正方形- 圓形天線單元設計完成。為了盡可能便于對比分析,其他3種天線結構的介質板規格完全相同,饋線部分和耦合孔徑位置尺寸僅做微調。其中,正方形-正方形、正方形-圓形、正方形-圓環結構中正方形主輻射帖片尺寸完全相同,盡可能多的調諧寄生輻射帖片。最終將4種天線都調至最佳匹配狀態,3種天線結構,如圖2所示。圖2 3種天線結構2 理論分析雙極化微帶天線是通過水平和垂直兩個端口激勵起兩種不同的模式實現水平極化和垂直極化的。之所以輻射口徑共用,主要是為了減小

12、天線的尺寸和減輕75#天饋伺系統#李迎林,等:寬帶雙極化微帶天線中不同寄生單元的研究2009,31(7天線的重量。反過來,在忽略兩個極化端口之間/串音0的條件下,也可以將雙極化微帶天線等效為一個水平激勵的天線和一個垂直激勵的天線,這樣便于分析。以正方形-圓形為例,僅分析水平端口,垂直端口 與水平端口相同。圖3 電磁等效如圖3所示,將原始問題轉化為等效問題。此時,口徑被理想導體板代替,J 1為正方形帖片上的感應電流,J 2為圓形寄生帖片上的感應電流,J F 為饋線上的激勵電流,M a 和M b 分別為等效磁流,由于口徑上切向電場分量連續,所以M a 與M b 大小相等,方向相反。根據邊界條件可得

13、,在傳導路徑上E c (J 2+E b (J 1+E b (M b =0在饋線上E a (M a +E a (JF =0在口徑上H b (M b +H b (J 1+H c (J 2=H a (M a +H a (J F 這些邊界條件通過選擇測試函數和在譜域中采用矩量法來實施7,解最后的積分方程可以得到未知的電流分布,進而得到天線輻射場的信息。3 計算結果分析圖4為4種天線單元的雙端口駐波特性。VSWR <2時,正方形-正方形天線1端口和2端口阻抗帶寬為29.8%(4.45GH z6GH z和27.9%(4.45GH z 5.9GH z;正方形-圓形天線1端口和2端口阻抗帶寬分別為28.

14、8%(4.4GH z5.9GH z和27.9%(4.4GH z5.85GH z;圓形-圓形天線1端口和2端口阻抗帶寬為29.8%(4.4GH z 5.95GH z和30.8%(4.4GH z6GH z;正方形-圓環天線1端口和2端口阻抗帶寬分別為26.9%(4.5GH z5.9G H z和25%(4.5GH z5.8G H z。對于寬帶天線而言,4種天線帶寬差距很小,中心頻都為5.2GH z 。圖5顯示天線單元雙端口隔離度特性。正方形-正方形天線在4.5GH z5.5GH z 之間隔離度達到-35.5dB ,圓形-圓形天線隔離度特性與正方形-正方形相近。正方形-圓形、正方形-圓環兩種新型天線隔

15、離度特性明顯較好,帶內優于-40dB 。圖4 雙端口駐波特性圖5 隔離度特性圖6為1端口E 面的極化方向圖。正方形-正方形、圓形-圓形、正方形-圓形、正方形-圓環1端口E 面交叉極化電平分別為-39dB 、-36dB 、-40dB 、-40dB ,在0b 時差距更明顯。圖6 1端口E 面極化方向圖圖7為1端口H 面極化方向圖。正方形-正方形、圓形-圓形、正方形-圓形、正方形-圓環1端口H 面交叉極化電平分別為-39dB 、-35dB 、-40dB 、-40dB 。圖8顯示2端口E 面極化方向圖。正方形-正方形、圓形-圓形、正方形-圓形、正方形-圓環2端口E 面交叉極化電平分別為-30dB 、-

16、30dB 、-40dB 、762009,31(7現代雷達-38dB 。從圖6圖8可以看出,正方形-圓形、正方形-圓環2種天線交叉極化相對于另外2種類型得到了較好的抑制, 這種優勢在某些方位角度內更突出。圖7 1端口H 面極化方向圖圖8 2端口E 面極化方向圖圖9 2端口H 面極化方向圖圖9為1端口H 面極化方向圖。在較小的方位角內,4種天線交叉極化電平相近,接近或優于-40dB 。造成H 面交叉極化電平在大方位角內較高的原因是為了達到良好的阻抗匹配,使2端口耦合孔徑的位置偏置貼片中心距離過大,相對于1端口,對稱性變差。4種型號天線單元帶內平均增益都接近8dB 。中心頻處兩種新型單元增益略高于另

17、外兩種。4 結束語本文設計了正方形-正方形、圓形-圓形、正方形-圓形、正方形-圓環4種不同組合的寬帶雙極化微帶天線單元。計算結果表明正方形-圓形、正方形-圓環兩種新型天線單元與常見的另外兩種天線單元相比,隔離度和交叉極化電平得到了很好的抑制。造成這種結果的原因可能是不同的帖片形狀激勵起的工作模式不同,從而使交叉極化分量得到部分抵消。目前4種天線單元正在加工中,詳盡的理論分析有待加工測試之后做進一步研究。但單從仿真計算結果已可以說明2種新型天線具有可行、重要的工程應用前景,同時也可以嘗試其他各種不同形狀的組合。參考文獻1 Pozar D M.A m i c rostr i p antenna a

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