基于后向輻射抑制的低剖面圓極化環(huán)天線研究

楊玉凡，張 曉，許志泳，袁 濤

(深圳大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，深圳 518060)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)已被廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域中[1-2]。由于圓極化天線具有可克服法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、抗多徑干擾效應(yīng)強等優(yōu)點，因此在導(dǎo)航系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。同時，近年來各種移動終端設(shè)備都朝著小型化的方向發(fā)展，這對設(shè)備中導(dǎo)航天線設(shè)計提出了更高的要求，需要天線在保證較高性能的前提下向更小尺寸的方向發(fā)展。

對圓極化導(dǎo)航天線而言，前后比(front-to-back ratio，F(xiàn)/B)是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，提高天線的F/B可以抑制從后向入射的多徑波，減輕接收器和終端設(shè)備其他射頻電路的干擾等。因此，眾多國內(nèi)外學(xué)者在抑制天線的后向輻射上做了大量研究。

提高F/B的方法中最為著名的一類是磁電偶極子天線的設(shè)計[3-6]，該類天線的中心思想是設(shè)計一對正交擺放的電偶極子和磁偶極子，并以適當(dāng)?shù)姆群拖辔患睿瑥亩@得較高的F/B。該類天線的優(yōu)點是具有較高的F/B和較寬的阻抗帶寬，但其普遍的缺點是剖面高、尺寸大，不適合應(yīng)用于小型化的終端設(shè)備上。而同樣利用該原理的電小尺寸的惠更斯元天線[7-10]具有尺寸小、剖面低的優(yōu)點，但由于其結(jié)構(gòu)缺少地板，無法與終端設(shè)備中其他射頻電路兼容，這將使該天線的應(yīng)用場合受限。

而另一類提高F/B的方法較為巧妙，其天線結(jié)構(gòu)利用了八木天線的原理。通常情況下，環(huán)天線需要保持相對較大的地板才能獲得較高的F/B，而該類方法是在小地板的情況下，在地板外部放置一寄生環(huán)或是在地板內(nèi)部刻蝕多個方環(huán)形縫隙形成多個環(huán)[11-16]，從而實現(xiàn)了較高的F/B。該天線結(jié)構(gòu)中，寄生環(huán)充當(dāng)了反射器，將來自輻射環(huán)的后向輻射反射至前向，從而實現(xiàn)了后向輻射的抑制。該類天線具有剖面低、F/B較高的優(yōu)點，且具有地板，在終端設(shè)備中應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢，但寄生環(huán)與地板需要有一定的距離才能保持較高的F/B，故寄生環(huán)的存在使天線無法做到極致的小型化。

在上述環(huán)天線加寄生環(huán)的基礎(chǔ)上，深入研究了寄生環(huán)抑制后向輻射的工作原理，通過觀察寄生環(huán)的電流分布，掌握其工作規(guī)律，成功地減小了寄生環(huán)的尺寸，設(shè)計了一款具有更小尺寸、低剖面、較高F/B的圓極化環(huán)天線。此外，本天線還引入了4個調(diào)諧枝節(jié)，使天線得以在進(jìn)一步小型化的基礎(chǔ)上，做到天線實物的調(diào)諧功能。

1 天線設(shè)計

本文所設(shè)計的天線首先在三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS中進(jìn)行建模仿真和參數(shù)優(yōu)化，并對天線的后向輻射抑制原理進(jìn)行深入分析。本節(jié)內(nèi)容主要包括以下3個部分：(1)天線結(jié)構(gòu)；(2)后向輻射抑制原理分析；(3)重要參數(shù)分析。

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1為本文所提出的天線結(jié)構(gòu)圖，天線由兩塊印刷電路板組成，印刷電路板材料選用羅杰斯RO4003C介質(zhì)板(介電常數(shù)εr=3.55，損耗角正切 tanδ=0.0027)。另外為了充分考慮表面粗糙度的影響，設(shè)計的天線在電磁仿真軟件中將導(dǎo)體設(shè)為黃銅，設(shè)置電導(dǎo)率為3×107Siemens/m，銅厚度設(shè)置為0.035mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of antenna

圖1(a)是天線的上層介質(zhì)板結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板的邊長為Wsub1，厚度為Hs1。其中橘黃色部分為介質(zhì)板上表面覆銅，黃色部分為介質(zhì)板上下表面都覆銅。其中，黃色部分為耦合饋電枝節(jié)，包含兩個高度均為Lf0，底邊分別為Lf1和Lf2的三角形，用于給天線耦合饋電并產(chǎn)生圓極化輻射，與天線之間的間距為Ws，且與SMA同軸接頭上直徑為Dfed的金屬探針直接接觸。橘黃色部分中，主輻射器為彎折走線的方形環(huán)天線，其外輪廓邊長為Ll，環(huán)內(nèi)部與耦合饋電枝節(jié)貼近的部分寬度為Wl2，長度為Ll1，在其外部設(shè)置有4個“L”形枝節(jié)，寬度為Wl1，長度分別為Lt1和Lt2，用于天線的小型化和天線實物的調(diào)諧。另外，在輻射環(huán)內(nèi)部還有4個邊長為Wq的方形貼片，貼片四周與輻射環(huán)的間距為Ds，并通過4根半徑為Rs的短路釘與下層介質(zhì)板的地板短路。4個短路貼片與輻射環(huán)之間的耦合縫隙可等效為并聯(lián)電容，從而降低了天線的諧振頻率，實現(xiàn)了天線的進(jìn)一步小型化。

圖1(b)是天線的下層介質(zhì)板結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板的邊長為Wsub2，厚度為Hs2。橘黃色部分位于介質(zhì)板上表面，該結(jié)構(gòu)為用于抑制輻射器后向輻射的寄生環(huán)，通過彎折走線實現(xiàn)小型化，其外輪廓邊長與介質(zhì)板邊長相同，厚度為Wl，蛇形走線所挖出的每個凹槽深度、寬度和間距均為Lsm、Wsm和Div。綠色部分位于介質(zhì)板的下表面，為天線的地板，其邊長為Wg，地板中心半徑為Rp的圓孔用于防止SMA內(nèi)導(dǎo)體的金屬探針與地板短路。

圖1(c)為天線的側(cè)視圖，其中，兩層介質(zhì)板之間是厚度為h的空氣層，可在一定程度上提升天線帶寬和降低天線重量，上層介質(zhì)板通過4個嵌套在短路釘外部的尼龍支撐柱(介電常數(shù)εr=4.3，損耗角正切tanδ=0.004)支撐起來，其內(nèi)徑為Rdi，外徑為Rdo。天線最終的各尺寸參數(shù)如表1所列。

表1 天線尺寸參數(shù)表Tab.1 Parameter list of antenna structure

1.2 后向輻射抑制原理分析

設(shè)計的天線采用的輻射器結(jié)構(gòu)為環(huán)形貼片，與地板大小相同的貼片天線相比，環(huán)天線后向輻射較大，F(xiàn)/B較差，故其需要更大的地板才能保持較高的F/B，而代價是天線整體的尺寸增大。為了使天線在緊湊尺寸的條件下保持較高的F/B，采用了在地板外側(cè)加寄生環(huán)的方法，寄生環(huán)的總長度為天線諧振頻率的1個真空波長左右，寄生環(huán)作為反射器，將來自輻射器的后向輻射反射至前向，從而有效地提高天線的F/B。另外，本文還通過蛇形走線增加寄生環(huán)的等效長度，實現(xiàn)了寄生環(huán)的小型化，使天線整體尺寸更加緊湊。

取4種不同的情況觀察寄生環(huán)抑制后向輻射的效果，如圖2所示。這4種情況中，只改變下層介質(zhì)板中地板和寄生環(huán)的形狀，天線其他結(jié)構(gòu)保持不變。其中方案1為天線選用邊長為77mm的大地板；方案2為天線選用邊長為45mm的地板；方案3為天線選用30mm的小地板，外部放置外邊長為45mm的寄生環(huán)；方案4為天線選用30mm的小地板，外部放置外輪廓邊長為45mm彎折走線的蛇形寄生環(huán)。

圖2 4種不同情況的地板結(jié)構(gòu)Fig.2 Four different cases of GND structure

圖3為這4種情況下天線的反射系數(shù)和1.575GHz的方向圖對比。在圖3(a)中可觀察到，方案1和方案4的-10dB反射系數(shù)帶寬相對較寬，方案2和方案3帶寬都較窄，而只有方案4向低頻偏移。在圖3(b)中可觀察到，方案2和方案3的后向輻射較大，F(xiàn)/B較差；方案1和方案4可保持較高的F/B，但方案1地板過大，不利于天線整體的小型化，而方案4這種情況可使天線獲得較高F/B的情況下保持緊湊的尺寸。

圖4為這4種情況同相位下的近場電場分布，通過對比可明顯發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)/B較差的方案2和方案3地板下方的電場較強，這導(dǎo)致天線有較強的后向輻射，而方案1和方案4地板下方的電場相對明顯較弱，這表明天線的后向輻射被有效抑制，從而保持較高的F/B。

圖3 4種情況的反射系數(shù)與方向圖對比Fig.3 Comparisons of reflection coefficient and radiation patterns in four cases

圖4 4種情況的近場電場分布Fig.4 Near-field electric field distribution in four cases

圖5所示的是3種不同情況的地板和寄生環(huán)上表面的同相位下電流分布，圖6為這3種情況的反射系數(shù)與方向圖對比。其中，方案A是邊長為35mm的地板，地板外部放置外邊長為50mm的寄生環(huán)；方案B是邊長為30mm的地板，地板外部放置外邊長為45mm的寄生環(huán)；方案C是邊長為30mm的地板，地板外部放置外邊長為45mm的蛇形寄生環(huán)。從圖5中可觀察出，方案A和方案C中寄生環(huán)的上表面兩側(cè)的電流較強，這是由于此時寄生環(huán)處于諧振狀態(tài)，其耦合得到的能量較強，所產(chǎn)生的輻射可與輻射環(huán)前相疊加，后向抵消，因此F/B較高；而方案B中寄生環(huán)上整體的電流相對較弱，F(xiàn)/B較低。此現(xiàn)象可說明，寄生環(huán)在具有明顯的后向輻射抑制功能時，其環(huán)上兩側(cè)具有較強的電流分布，其等效總長度約為天線諧振頻率的1個真空波長左右。另外觀察圖6(a)可發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)/B較高的方案A和方案C的帶寬相對較寬，而F/B較差的方案B帶寬較窄。觀察圖6(b)可發(fā)現(xiàn)，處于寄生環(huán)工作狀態(tài)的方案A和方案C的輸入阻抗實部隨頻率的變化相對平緩，其頻率特性較好，故其阻抗帶寬相對較寬。

圖5 3種情況的地板寄生環(huán)電流分布對比Fig.5 Comparison of the current distribution of the GND parasitic loop in three cases

圖6 3種情況的阻抗特性與方向圖對比Fig.6 Comparisons of impedance characteristic and radiation patterns in three cases

1.3 重要參數(shù)分析

圖7為短路貼片與輻射環(huán)的間距Ds的改變對天線性能的影響，從圖7中可觀察出，Ds越小時，天線在匹配頻帶處的F/B越高，天線的后向輻射抑制效果越強，但其輻射效率會相對較低。因此，該天線可通過改變Ds的大小實現(xiàn)天線F/B與輻射效率的靈活調(diào)控。圖8為寄生環(huán)的凹槽深度Lsm的改變對天線性能的影響，而其實質(zhì)上就是改變了寄生環(huán)的等效長度，Lsm越大，寄生環(huán)的等效長度越長，其工作頻率越低。從圖8(b)中可觀察出，隨著Lsm的增加，天線的具有較高F/B的頻帶會向低頻移動，而其輻射效率會隨Lsm的增加而逐漸提高。因此，此天線可通過微調(diào)Lsm的大小實現(xiàn)F/B與輻射效率之間的調(diào)控。

圖7 短路貼片與輻射環(huán)的間距Ds的改變對天線的影響Fig.7 Effect of the spacing Ds between the shorting patches and the radiation loop on antenna performance

圖8 寄生環(huán)凹槽深度Lsm的改變對天線性能的影響Fig.8 Effect of parasitic loop groove depth Lsm on antenna performance

圖9 寄生環(huán)與輻射環(huán)距離Hl的改變對天線性能的影響Fig.9 Effect of the distance Hl between the parasitic ring and the radiation loop on antenna performance

圖9所示的是改變寄生環(huán)與輻射環(huán)的距離Hl對天線性能的影響，從中可觀察到，在這3種情況中，Hl=4.5mm(0.024λ0，λ0為真空波長)的F/B整體較高，對天線的后向輻射抑制效果較好，其輻射效率相對較低。

2 仿真與實測結(jié)果

為驗證本文所提出的圓極化天線的性能，將所設(shè)計的天線調(diào)至最優(yōu)性能并加工，天線的加工照片如圖10所示。加工出的天線使用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線的反射系數(shù)，并使用SATIMO近場微波暗室測試天線的遠(yuǎn)場輻射參數(shù)。

圖10 加工天線照片F(xiàn)ig.10 Fabricated prototype of the antenna

天線的仿真及測試結(jié)果如圖11所示，在圖11(a)中可觀察到，天線仿真的-10dB反射系數(shù)帶寬為1.566GHz～1.588GHz，測試的天線帶寬為1.557GHz～1.581GHz，可覆蓋BDS-B1和GPS-L1兩個工作頻段。在-10dB反射系數(shù)帶寬內(nèi)仿真和測試的實際增益都可保持3.25dBi以上。在圖11(b)中，天線仿真的3-dB軸比帶寬為1.575GHz～1.579GHz，測試的3-dB軸比帶寬為1.570GHz～1.575GHz。另外在3-dB軸比帶寬內(nèi)仿真和測試的右旋圓極化(right-handed circular polarization，RHCP)增益均可保持在3.19dBic以上。

圖11 天線仿真及測試結(jié)果Fig.11 Simulated and measured results of the antenna

圖12所示的是天線在1.561GHz和1.575GHz的仿真和測試的方向圖。在1.561GHz和1.575GHz，天線仿真的F/B分別為9.2dB和11.17dB，測試分別為10.07dB和13.71dB。

結(jié)合以上的仿真和測試結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)加工出的天線明顯向低頻偏移，這可能是加工誤差使天線的耦合間距Ds減小的結(jié)果，耦合間距越小，天線與短路貼片之間的耦合越強，其并聯(lián)電容的加載效應(yīng)越強，頻率降低的效果越明顯。

圖12 天線仿真及測試方向圖Fig.12 Simulated and measured radiation patterns of the antenna

表2中所列的是本天線與以往的低剖面高F/B圓極化天線的尺寸及性能對比，通過對比可發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計的天線在保持較高F/B的前提下，擁有更小的天線尺寸和更低的剖面。因此，相比之下本天線應(yīng)用于小型化的移動終端內(nèi)擁有更大的優(yōu)勢。

表2 本天線與其他天線的尺寸與性能對比Tab.2 Comparison of the antenna size and performance between this and other antennas

其中，λg為介質(zhì)波長，前后比取值為頻帶內(nèi)最低值。

3 結(jié)論

文章設(shè)計出了一種具有較高F/B的低剖面圓極化環(huán)天線。在ANSYS HFSS三維電磁仿真軟件對天線進(jìn)行建模仿真，通過觀察天線的近場電場分布和寄生環(huán)的電流分布，研究寄生環(huán)抑制后向輻射的工作機制，最終成功使天線在保持較高F/B的前提下實現(xiàn)了寄生環(huán)的小型化。同時，所設(shè)計的天線還可通過改變短路貼片與輻射環(huán)之間的耦合間距和寄生環(huán)凹槽深度實現(xiàn)天線F/B與輻射效率之間的靈活調(diào)控。另外，本文還對參數(shù)優(yōu)化后的天線進(jìn)行加工測試，測試結(jié)果表明，所設(shè)計的天線具有良好的后向輻射抑制效果，其阻抗帶寬可覆蓋BDS-B1和GPS-L1兩個工作頻段。所設(shè)計的天線具有尺寸小、剖面低、質(zhì)量輕、F/B高的優(yōu)點，可應(yīng)用于小型化的移動終端導(dǎo)航定位中。