一種枝節(jié)延伸的寬軸比波束圓極化天線

陳天歌，趙 華，龔 克

(信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院， 河南 信陽 464000)

0 引言

圓極化(circular polarization，CP)天線可以接收任意方向的極化波，以減少極化失配損耗和多徑干擾[1-2]，廣泛應(yīng)用于各種無線系統(tǒng)，如移動衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)和新一代5G無線通信等[3]。阻抗帶寬、軸比波束寬度(axial ratio beamwidth, ARBW)和軸比帶寬(axial ratio bandwidth, AR)作為衡量CP天線性能的重要參數(shù)，被廣泛研究。然而，對于一些特定應(yīng)用場景，ARBW比阻抗帶寬和AR更為重要。例如全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)接收機(jī)中的CP天線的3 dB ARBW要求大于120°，以保證地球上的任何地方可以較好地接收無線信號[4]。同時，ARBW在波束掃描陣列的終端設(shè)備中作為一項重要的性能指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)廣角范圍內(nèi)的通信。因此，為了保證CP天線|AR|<3 dB時更寬的仰角和接收信號的穩(wěn)定性，有類圓極化天線把ARBW作為重要性能指標(biāo)，被應(yīng)用于GNSS頻段通信[5]。

針對ARBW的研究，主要為了拓寬|AR|<3 dB的角度范圍。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了兩對平行偶極子，實(shí)現(xiàn)了126°的3 dB ARBW。但這種結(jié)構(gòu)需要雙面加工，在實(shí)際陣列中，單元之間隔離度較低。文獻(xiàn)[7]提出了一種毫米波圓極化錐形橢圓腔天線，該天線的3 dB ARBW擴(kuò)展到134°，但ARBW在2個主平面的對稱性不好。文獻(xiàn)[8]設(shè)計一款MIMO天線，該天線實(shí)現(xiàn)雙頻，但在ARBW上拓展僅140°，并且在2個主平面的寬角范圍不對稱，不能保證信號在各方向很好地接收。

在實(shí)際工程中，更傾向于結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良的天線。因為結(jié)構(gòu)限制，ARBW存在帶寬窄，主平面寬角范圍不對稱的問題。為了解決這個問題，提出了一種枝節(jié)延伸的寬軸比波束圓極化天線，采用加載短路針方法來拓寬ARBW，同時延伸枝節(jié)改善受短路針影響的阻抗帶寬。最終拓寬ARBW和阻抗帶寬，其指標(biāo)可覆蓋GNSSs頻段。

1 圓極化天線的設(shè)計與分析

1.1 圓極化天線設(shè)計結(jié)構(gòu)

圓極化天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

注：(a)為天線下層結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為天線上層結(jié)構(gòu)示意圖， (c)為天線側(cè)視圖

天線結(jié)構(gòu)主要由2層金屬貼片、4個短路針、1對支柱組組成。該天線采用2個幅值相等，相位相差90°的同軸線饋電。上下2層貼片分別印刷在Roger Ultralam 1300基板的頂部，該介質(zhì)基板相對介電常數(shù)εr=3，損耗角正切tanδ=0.003，厚度h=2.5 mm。下層貼片通過4個短路針與地短接。4個短路針設(shè)置在下層貼片的4個引腳上，呈現(xiàn)對稱分布以保證電場平衡。上層貼片通過一對支柱(FR4，介電常數(shù)εr=4.4，損耗角正切tanδ=0.02)焊接到下層貼片。2個饋電點(diǎn)分別位于下層貼片的x軸(feed1)和y軸(feed2)的正半軸上。x軸饋電相位比y軸饋電相位超前90°，形成右旋圓極化 (RHCP)饋電模式。從原點(diǎn)到feed1(或feed2)的距離是Lf，地板設(shè)置為無窮大導(dǎo)體，以此增強(qiáng)圓極化天線輻射的方向性。饋電端口采用SMA接頭，內(nèi)徑2R1=1 mm，外徑2R2=2.3 mm。內(nèi)導(dǎo)體穿過下基板連接到下層貼片，外導(dǎo)體接地，內(nèi)外導(dǎo)體之間用材料FR4填充。激勵信號通過同軸線傳遞給下層貼片，進(jìn)一步耦合到上層貼片，并在2個貼片之間產(chǎn)生諧振，調(diào)整懸置高度ha，可有效加深上下層貼片的諧振，以此拓寬阻抗帶寬。天線模型采用電磁仿真軟件Ansys HFSS 15.0設(shè)計分析，該天線結(jié)構(gòu)中：W=56.0 mm,W1=63.0 mm,D=75.5 mm,WS=15.0 mm,Ls=40.0 mm,Lf=23.0 mm,R=0.5 mm,h=2.5 mm,ha=5.2 mm。

1.2 圓極化天線相關(guān)原理

短路加載技術(shù)通過在輻射貼片和地板之間連接一根短路針，調(diào)諧諧振頻率，改變天線電尺寸，從而使微帶天線由半波諧振天線等效為四分之一波長諧振天線，實(shí)現(xiàn)小型化技術(shù)[9]。短路針技術(shù)不僅可以用來調(diào)諧頻率[10]，還可以附加垂直電流分量，增大天線輻射強(qiáng)度，提高低仰角增益，從而改善ARBW，提高無線系統(tǒng)的通信范圍和質(zhì)量。

根據(jù)惠更斯原理和經(jīng)典貼片理論[3]，方形微帶天線可以等效為在一個方形區(qū)域內(nèi)，正交放置2副激勵出平行磁流的偶極子，組成一個天線陣列[11]。在方位角φ=0°和φ=90°的2個主平面中，遠(yuǎn)區(qū)輻射場的電場分量分別為Eφ和Eθ，其歸一化強(qiáng)度表達(dá)式為：

(1)

Eθ=cos(πsin(θ)We/λ),

(2)

AR=|20lg(Eθ/Eφ)|，

(3)

式中:λ為在自由空間傳播波的波長，We為由貼片邊緣引起的邊緣效應(yīng)所等效的貼片輻射有效寬度。

AR|θ,φ=F(fr/f0,h/λ0,εr),

(4)

對于加載短路針的天線，ARBW主要隨公式(4)中的頻率調(diào)諧率fr/f0(fr為加載短路針的貼片諧振頻率，f0為無短路針的諧振頻率)而變化，主要取決于天線的引腳的相對位置D和半徑R[11]。

1.3 圓極化天線設(shè)計分析過程

圓極化天線的設(shè)計思路如圖 2所示。

首先，基于微帶CP貼片天線(其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示),研究了各參數(shù)對天線的ARBW和阻抗帶寬的影響。貼片的尺寸W、饋線的位置Lf和介質(zhì)基板的厚度h是分析的關(guān)鍵參數(shù)。在2個主平面內(nèi)(xoz,yoz)，圖 3(a)實(shí)現(xiàn)了110°的 3 dB ARBW和1.5%的阻抗帶寬。針對圖 3(a)阻抗帶寬窄的問題，利用耦合諧振特性，加載寄生貼片。同時，為了拓寬ARBW，圖3(b)將單層貼片結(jié)構(gòu)加載4根短路針，其位置延對角線對稱分布。此時，相鄰短路針之間的距離D和短路針半徑R作為研究的關(guān)鍵參數(shù)。通過軟件HFSS分析，在2個主平面內(nèi)(xoz,yoz)，圖 3(b)實(shí)現(xiàn)了145°的3 dB ARBW和1.0%的阻抗帶寬。

圖2 天線結(jié)構(gòu)分析導(dǎo)向圖Fig. 2 The guidance graph of antenna design

注： (a)為基礎(chǔ)模型，(b)為改進(jìn)模型1， (c)為改進(jìn)模型2

對比圖 3(a)與圖 3(b)發(fā)現(xiàn)，通過加載短路針，可以有效地拓寬ARBW，但阻抗帶寬變窄。針對圖 3(b)阻抗帶寬窄的問題，懸置方形貼片于圖 3(b)模型的上方，懸置高度為ha。仿真結(jié)果顯示：通過短路針和加載寄生貼片雙重改進(jìn)，可有效拓寬阻抗帶寬，但以犧牲ARBW為代價。因此該結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)ARBW和阻抗帶寬相互制約，主要因為加載上層貼片對下層的短路針有干擾，使短路針的附加電場不能規(guī)律分布，進(jìn)一步影響AR的寬角范圍。為了解決ARBW與阻抗帶寬相互制約的問題，開展了進(jìn)一步的研究。

圖 3(c)中提出了一種枝節(jié)延伸的新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的短路針位于延伸的枝節(jié)處，并關(guān)于原點(diǎn)中心對稱。利用此種結(jié)構(gòu)可避免上層貼片對短路針的干擾，以此來消除短路針對阻抗帶寬的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)短路針和加載寄生貼片的優(yōu)勢，同時拓寬3 dB ARBW和阻抗帶寬。在2個主平面內(nèi)(xoz,yoz)，圖 3(c)模型實(shí)現(xiàn)了約151°的ARBW和1.0%的阻抗帶寬。

表1列出了天線改進(jìn)的一系列性能指標(biāo)，在1.6 GHz中心頻點(diǎn)處的阻抗帶寬、ARBW、HPBW(half power beam width)和增益。如表1所示，通過對比，枝節(jié)延伸的圓極化天線3 dB ARBW從基礎(chǔ)模型的111°和110°分別擴(kuò)展到156°和160°，阻抗帶寬拓寬至9.0%，輻射主方向增益為8.57 dBi，2個平面中的HPBW為75°。

表1 不同模型性能參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of performances with different models

2 結(jié)果與分析

天線的中心頻率主要由下層貼片的尺寸確定，調(diào)整上層貼片大小，使上下層貼片實(shí)現(xiàn)雙諧振，進(jìn)一步優(yōu)化短路針和饋電點(diǎn)位置。通過仿真軟件HFSS15仿真得到加載短路針的雙層微帶天線的輸入阻抗、阻抗帶寬和3dB ARBW、AR的結(jié)果。

通過大量的仿真實(shí)驗表明，阻抗帶寬(S11)主要受上層貼片尺寸W1的影響，圖4表明天線S11隨上層貼片尺寸W1的增大諧振頻點(diǎn)上移，且在W1=59 mm和W1=68 mm之間有一個過渡的雙諧振點(diǎn)，通過進(jìn)一步參數(shù)掃描分析，當(dāng)W1=63 mm時，天線|S11|<-10 dB的頻帶范圍內(nèi)出現(xiàn)雙諧振點(diǎn)，以此通過加載寄生貼片，并制定合適尺寸可以加深諧振深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

當(dāng)下層貼片尺寸為56 mm×56 mm、上層貼片為63 mm×63 mm時，天線的輸入阻抗隨頻率變化的曲線如圖5所示。天線的輸入阻抗的實(shí)部在頻點(diǎn)f1=1.568 GHz和f2=1.694 GHz附近出現(xiàn)2個峰值，2個峰值對應(yīng)的阻抗虛部近似為零，以此形成阻抗帶寬的諧振點(diǎn)。這2個峰值與圖6中出現(xiàn)的阻抗匹配雙諧振點(diǎn)相對應(yīng)，并且虛部在頻率1.594～1.677 GHz范圍內(nèi)變化平緩，以此來實(shí)現(xiàn)阻抗帶寬內(nèi)的諧振，拓寬阻抗帶寬。

圖4 上層貼片尺寸W1對阻抗帶寬的影響Fig. 4 Effects of upper patch size W1 on impedance bandwidth

圖5 枝節(jié)延伸圓極化天線的輸入阻抗隨頻率變化的曲線Fig. 5 The curve of input impedance of branch CP antenna with frequency

天線的阻抗帶寬如圖6所示，阻抗帶寬(|S11|<-10 dB的頻率范圍)為1.563～1.708 GHz，其相對阻抗帶寬約為9.0%。圓極化天線的另一個激勵端口的阻抗帶寬(|S22|<-10 dB )頻率范圍同為1.563～1.708 GHz，且兩個端口的對稱性較好。由此可見，在低頻段，附加寄生貼片將天線帶寬拓寬了約100 MHz，顯著改善微帶線的阻抗帶寬。

短路針的位置Lf和半徑R不變，ARBW主要受枝節(jié)的寬度WS和短路針的相鄰距離D影響。但D主要影響3 dB ARBW的帶內(nèi)平坦度，調(diào)整枝節(jié)的寬度WS，成為調(diào)節(jié)ARBW的重要參數(shù)。由圖7可得，隨著枝節(jié)寬度WS增大，φ=0°主平面的ARBW先加寬后變窄，與φ=90°主平面結(jié)果類似。天線枝節(jié)寬度對ARBW改善有很好效果，通過參數(shù)優(yōu)化，適當(dāng)調(diào)整WS。當(dāng)枝節(jié)寬度WS大于15 mm，ARBW急劇變窄。為了衡量WS對天線的阻抗帶寬和ARBW雙重影響，最終選定WS=15 mm。

圖6 枝節(jié)延伸天線的阻抗帶寬Fig. 6 Impedance bandwidth of the branch antenna

圖7 枝節(jié)寬度WS對ARBW的影響Fig. 7 Effects of branch width WS on ARBW

2個主平面φ=0°和φ=90°上AR隨著θ的變化曲線如圖 8所示。

圖8 2個主平面AR隨角度θ變化曲線Fig. 8 The curve of AR of two main planes with θ

在φ=0°主平面上，3 dB軸比寬角范圍為-79°～77°。由圖8可知，軸比在3 dB以下的寬角范圍波動較小，平坦度較好。|AR|<3 dB的寬角范圍達(dá)到156°。在φ=90°主平面上，3 dB軸比寬角范圍為-78°～82°，|AR|<3 dB的寬角范圍達(dá)到160°。與沒有加載短路針的天線對比，天線在φ=0°主平面上3 dB寬角軸比拓寬46°。在φ=90°主平面上3 dB寬角軸比拓寬49°。結(jié)果表明：通過枝節(jié)延伸的方法可以避免上層貼片對短路針附加電場的干擾，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)阻抗帶寬和ARBW雙重良好的性能。

圖9主要研究天線AR隨頻率變化的曲線，|AR|<3 dB頻率范圍為1.05～1.89 GHz，在頻點(diǎn)1.6 GHz附近|AR|≤1，說明天線在該范圍圓極化純度較好。通過測量軸比帶寬性能，可以觀察該天線在不同頻點(diǎn)的圓極化穩(wěn)定性，以此來拓展天線的應(yīng)用范圍。

圖9 天線的AR隨頻率變化的曲線Fig. 9 The AR curve of antenna with frequency

3 結(jié)論

本文提出了一種枝節(jié)延伸的寬軸比波束圓極化天線。該天線主要的創(chuàng)新點(diǎn)：(1)通過加載短路針的方法，使得中心頻點(diǎn)1.6 GHz不變的情況下，有效地拓寬ARBW。(2)對下層輻射貼片枝節(jié)延伸，避免上層貼片對短路針電場分布的干擾，從而同時拓寬阻抗帶寬和ARBW。該性能可以提高圓極化的純度，保證天線的覆蓋面。最后通過性能仿真和參數(shù)分析，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)|AR|<3 dB的ARBW在xoz面為160°，在yoz面為156°。本文提出的天線3 dB ARBW遠(yuǎn)大于120°，同時在xoz和yoz2個主平面寬角范圍對稱性較好，能夠較好地應(yīng)用于GNSS的L頻段的接收設(shè)備中。