資料介紹
1 引言
隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,迫切需要低成本、高增益,同時(shí)具有自動(dòng)波束跟蹤能力的新型天線的出現(xiàn)。基于相位共軛技術(shù)而提出的方向回溯天線(Retrodirective Antenna)能自動(dòng)發(fā)射來波的響應(yīng)信號(hào)(入射信號(hào)或者處理后的入射信號(hào))到來波方向,而不需要來波方向的先驗(yàn)知識(shí)和復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。相對(duì)于傳統(tǒng)天線技術(shù)和通常的自適應(yīng)天線技術(shù),方向回溯天線技術(shù)具有快速跟蹤的特性和更好的性價(jià)比,這一特點(diǎn)使得其在通信、射頻識(shí)別、共形天線、功率傳輸?shù)阮I(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
為了減少方向回溯天線陣元數(shù)目,實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離,方向回溯天線陣常采用雙極化天線。雙極化天線自身具有頻率復(fù)用、收發(fā)一體化、極化分集、提高系統(tǒng)靈敏度、極化捷變等特點(diǎn)。在方向回溯天線陣列系統(tǒng)中應(yīng)用雙極化天線收發(fā)一體化的特點(diǎn),將一對(duì)正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端,實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離,使得方向回溯天線在通信系統(tǒng)中發(fā)揮更好的作用。
雙極化天線饋電結(jié)構(gòu)形式多種多樣,通常采用的基本形式有:(1)共面饋電形式,分為角饋和邊饋兩種基本形式。共面饋電隔離度較差,一般只應(yīng)用于特定場(chǎng)合或者工程要求不高的情況下;(2)共面和口徑耦合相結(jié)合饋電形式。這種饋電方式可實(shí)現(xiàn)高隔離度,極化純度較高等優(yōu)點(diǎn),但由于饋電在不同介質(zhì)層上,不易用于天線陣列的設(shè)計(jì);(3)口徑耦合饋電形式。采用開C形或H形槽來實(shí)現(xiàn)高隔離度雙極化天線,許多工作者采用這種饋電形式實(shí)現(xiàn)雙極化。
為提高天線工作帶寬和端口隔離度,本文采用了H形槽和電容加載H形槽相結(jié)合的口徑耦合饋電形式,輻射貼片采用二級(jí)Minkowski分形結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了一種高隔離度分形雙極化微帶天線的設(shè)計(jì),將其作為方向回溯天線陣列單元(工作頻率范圍4.4 GHz ~ 5 GHz)。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.1對(duì)該天線進(jìn)行電磁仿真,并加工實(shí)物,利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示VSWR<2的相對(duì)阻抗帶寬H端口達(dá)到17.6 %,V端口達(dá)到20.5 %,雙端口隔離度大于35 dB,天線增益大于8 dB,前后比大于20 dB,仿真和測(cè)試結(jié)果均滿足方向回溯天線系統(tǒng)對(duì)天線單元的要求指標(biāo)。
2 天線設(shè)計(jì)
分形口徑耦合雙極化微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中圖1(a)為天線側(cè)視圖,圖1(b)為天線的俯視圖。天線主要由兩層介質(zhì)板構(gòu)成,上層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯材料,輻射貼片刻蝕在上層介質(zhì)板的下表面,這樣上層介質(zhì)板可起到天線罩的作用加以保護(hù)。下層介質(zhì)板采用FR4材料,接地板和饋線分別位于下層介質(zhì)板的上下兩側(cè),H形和加載H形槽開在接地板上且互相垂直。
兩層介質(zhì)板之間為空氣層,這相當(dāng)于將上層介質(zhì)板的厚度增加到原厚度與空氣間隙之和,因此降低了介質(zhì)板的平均相對(duì)介電常數(shù),即降低了該微帶天線的Q值,從而達(dá)到了增大頻帶寬度的目的,同時(shí)也有助于提高天線的增益。
為了減小天線尺寸,天線輻射貼片采用二級(jí)Minkowski分形結(jié)構(gòu),分形結(jié)構(gòu)改變了輻射貼片電流分布,使電流沿著曲折的導(dǎo)體面而非簡(jiǎn)單的幾何面分布,相當(dāng)于增加了電長(zhǎng)度,降低諧振頻率,因此可以減小天線尺寸。
為提高雙端口隔離度,該天線采用H形高隔離度口徑耦合形式。由于相互垂直的兩個(gè)H形開槽占有較大的面積,增加了天線尺寸,所以V端口采用H形開槽,H端口在H形槽的基礎(chǔ)上改進(jìn)為電容加載H形槽,即將H形開槽兩臂彎折,因此增加開槽臂長(zhǎng)度,提高端口隔離度。通過調(diào)整兩個(gè)饋電開槽和輻射貼片開槽的尺寸長(zhǎng)度,可以改善輸入端口的阻抗特性,實(shí)現(xiàn)輻射貼片的寬頻諧振。
隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,迫切需要低成本、高增益,同時(shí)具有自動(dòng)波束跟蹤能力的新型天線的出現(xiàn)。基于相位共軛技術(shù)而提出的方向回溯天線(Retrodirective Antenna)能自動(dòng)發(fā)射來波的響應(yīng)信號(hào)(入射信號(hào)或者處理后的入射信號(hào))到來波方向,而不需要來波方向的先驗(yàn)知識(shí)和復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。相對(duì)于傳統(tǒng)天線技術(shù)和通常的自適應(yīng)天線技術(shù),方向回溯天線技術(shù)具有快速跟蹤的特性和更好的性價(jià)比,這一特點(diǎn)使得其在通信、射頻識(shí)別、共形天線、功率傳輸?shù)阮I(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
為了減少方向回溯天線陣元數(shù)目,實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離,方向回溯天線陣常采用雙極化天線。雙極化天線自身具有頻率復(fù)用、收發(fā)一體化、極化分集、提高系統(tǒng)靈敏度、極化捷變等特點(diǎn)。在方向回溯天線陣列系統(tǒng)中應(yīng)用雙極化天線收發(fā)一體化的特點(diǎn),將一對(duì)正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端,實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離,使得方向回溯天線在通信系統(tǒng)中發(fā)揮更好的作用。
雙極化天線饋電結(jié)構(gòu)形式多種多樣,通常采用的基本形式有:(1)共面饋電形式,分為角饋和邊饋兩種基本形式。共面饋電隔離度較差,一般只應(yīng)用于特定場(chǎng)合或者工程要求不高的情況下;(2)共面和口徑耦合相結(jié)合饋電形式。這種饋電方式可實(shí)現(xiàn)高隔離度,極化純度較高等優(yōu)點(diǎn),但由于饋電在不同介質(zhì)層上,不易用于天線陣列的設(shè)計(jì);(3)口徑耦合饋電形式。采用開C形或H形槽來實(shí)現(xiàn)高隔離度雙極化天線,許多工作者采用這種饋電形式實(shí)現(xiàn)雙極化。
為提高天線工作帶寬和端口隔離度,本文采用了H形槽和電容加載H形槽相結(jié)合的口徑耦合饋電形式,輻射貼片采用二級(jí)Minkowski分形結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了一種高隔離度分形雙極化微帶天線的設(shè)計(jì),將其作為方向回溯天線陣列單元(工作頻率范圍4.4 GHz ~ 5 GHz)。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.1對(duì)該天線進(jìn)行電磁仿真,并加工實(shí)物,利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示VSWR<2的相對(duì)阻抗帶寬H端口達(dá)到17.6 %,V端口達(dá)到20.5 %,雙端口隔離度大于35 dB,天線增益大于8 dB,前后比大于20 dB,仿真和測(cè)試結(jié)果均滿足方向回溯天線系統(tǒng)對(duì)天線單元的要求指標(biāo)。
2 天線設(shè)計(jì)
分形口徑耦合雙極化微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中圖1(a)為天線側(cè)視圖,圖1(b)為天線的俯視圖。天線主要由兩層介質(zhì)板構(gòu)成,上層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯材料,輻射貼片刻蝕在上層介質(zhì)板的下表面,這樣上層介質(zhì)板可起到天線罩的作用加以保護(hù)。下層介質(zhì)板采用FR4材料,接地板和饋線分別位于下層介質(zhì)板的上下兩側(cè),H形和加載H形槽開在接地板上且互相垂直。
兩層介質(zhì)板之間為空氣層,這相當(dāng)于將上層介質(zhì)板的厚度增加到原厚度與空氣間隙之和,因此降低了介質(zhì)板的平均相對(duì)介電常數(shù),即降低了該微帶天線的Q值,從而達(dá)到了增大頻帶寬度的目的,同時(shí)也有助于提高天線的增益。
為了減小天線尺寸,天線輻射貼片采用二級(jí)Minkowski分形結(jié)構(gòu),分形結(jié)構(gòu)改變了輻射貼片電流分布,使電流沿著曲折的導(dǎo)體面而非簡(jiǎn)單的幾何面分布,相當(dāng)于增加了電長(zhǎng)度,降低諧振頻率,因此可以減小天線尺寸。
為提高雙端口隔離度,該天線采用H形高隔離度口徑耦合形式。由于相互垂直的兩個(gè)H形開槽占有較大的面積,增加了天線尺寸,所以V端口采用H形開槽,H端口在H形槽的基礎(chǔ)上改進(jìn)為電容加載H形槽,即將H形開槽兩臂彎折,因此增加開槽臂長(zhǎng)度,提高端口隔離度。通過調(diào)整兩個(gè)饋電開槽和輻射貼片開槽的尺寸長(zhǎng)度,可以改善輸入端口的阻抗特性,實(shí)現(xiàn)輻射貼片的寬頻諧振。
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