一種寬帶寬波束圓極化交叉偶極子天線設計

程 靜,劉聰聰,郭 華

(西安郵電大學 電子工程學院,陜西 西安 710121)

隨著衛星通信技術在軍民融合領域等方面的快速發展,圓極化天線因為具有能夠抑制多徑干擾和有效減少極化失配等優勢而被廣泛應用于全球定位系統和無線通信系統等領域中[1-3]。為了在工程實際中滿足衛星通信系統對于圓極化天線寬頻帶和寬波束的要求,設計一款能夠覆蓋全球衛星導航系統L頻段的寬帶寬波束圓極化交叉偶極子天線就顯得尤其有意義[4]。

當圓極化天線擁有較寬的半功率波束寬度(Half-Power Beamwidth,HPBW)時,可以實現足夠大的低仰角增益[5-6]。一般情況下,普通的微帶天線或交叉偶極子天線的半功率波束寬度為90°左右[7-8]。展寬交叉偶極子天線的半功率波束寬度可以擴大天線的覆蓋范圍,增加低仰角增益,提高衛星通信質量。

經典的螺旋天線可以實現展寬波束寬度的效果,但是,其加工過程復雜且剖面過高[9-11]。通常情況下,提升波束寬度有兩類常用的方法。一類方法是,通過在天線周圍加載寄生單元的方式來提高半功率波束的寬度。例如,通過在天線輻射貼片的正上方放置一個圓形的寄生金屬環,可以獲得140°的3 dB波束寬度[12];通過在一個圓形貼片周圍加載4個垂直的金屬柱體[13],可以使天線達到164°的3 dB波束寬度[14]。另一類常見的方法是,采用加載金屬腔的方式來擴展天線的半功率波束寬度[15]。例如,通過采用圓形偶極子輻射單元和帶有波紋狀的背腔,可以使天線達到150°的3 dB波束寬度[16]。雖然上述天線設計方案均可以獲得較寬的半功率波束寬度,但是,以上設計得到的天線的圓極化帶寬都相對較窄,如何讓天線在較寬的頻帶范圍內,實現較大的半功率波束寬度值得進一步研究。

根據已有的研究報道發現,通過在交叉偶極子輻射單元周圍加載寄生單元的方式,可以增大天線的帶寬和半功率波束寬度。為了讓天線在較寬的頻帶范圍內,實現較大的半功率波束寬度,本文擬設計一款覆蓋衛星通信L頻段的寬帶寬波束圓極化交叉偶極子天線。在交叉偶極子輻射單元周圍加載寄生單元,利用交叉偶極子輻射單元和寄生單元之間的臨近耦合作用,引入垂直電流,以降低軸比值,優化軸比曲線,擴展天線的帶寬和波束。

1 天線結構設計及原理

1.1 天線結構設計

所設計的天線主要組成部分包括蝶形交叉偶極子輻射單元、介質基板、寄生金屬板、寄生介質板、金屬地板以及同軸線。所設計的天線結構示意圖如圖1所示。

圖1 天線結構示意圖

如俯視圖1(a)中所示,蝶形交叉偶極子輻射單元由兩個梯形偶極子臂組成。其中,梯形偶極子臂的上底寬度為w0,下底的寬度為w1,高度為h0。兩個蝶形偶極子輻射單元分別印刷在相對介電常數為3.66,損耗角正切值為0.004且厚度h1=0.508 mm的Rogers RO4350介質基板的上、下表面,介質基板的寬度為g,相鄰的偶極子臂之間通過1/4波長的印刷圓環相連接,圓環的內徑為r1,外徑為r2。如側視圖1(b)所示,同軸線穿過底層的金屬基板和上層的介質基板為交叉偶極子輻射單元饋電。從三維結構圖1(c)可以看出,天線引入了4個垂直的寄生金屬板,寄生金屬板的高度為h,長度為w,4個垂直寄生金屬板垂直位于厚度為h2的金屬地板上,將其沿中心旋轉后放置在交叉偶極子輻射單元的四周。兩個寄生介質板的高度為h且寬度為w3,放置于垂直寄生金屬板之間的空隙處,寄生金屬板和寄生介質板的厚度w2均為2.1 mm,金屬地板的寬度為L。通過交叉偶極子輻射單元和4個引入的垂直寄生金屬板之間的臨近耦合作用,能夠擴展天線的圓極化帶寬和半功率波束寬度,從而實現寬帶寬波束的效果。

天線的整體尺寸為85.0 mm×85.0 mm×48.5 mm,天線尺寸參數如表1所示。

表1 天線尺寸參數

1.2 寬帶寬波束產生原理

設計的天線通過加載寄生單元來拓寬天線的帶寬。首先,在天線周圍引入4 個垂直的寄生金屬板,利用寄生金屬板與交叉偶極子輻射單元之間的耦合作用,產生新的軸比通帶,從而擴展天線的圓極化帶寬。然后,通過引入兩個垂直的寄生介質板,影響交叉偶極子天線的場分布情況。采用高頻仿真軟件 (High Frequency Structure Simulator,HFSS)對寄生介質板上的電場進行仿真,圖2給出了寄生介質板上的電場分布情況。通過觀察圖2兩塊寄生介質板的電場分布發現,新引入的寄生介質板上存在交叉偶極子天線水平方向的電場分量Eφ,說明寄生介質板的引入能夠改變天線遠區的電場分量。通過改變寄生介質板的尺寸,使得交叉偶極子天線水平方向電場分量和垂直方向電場分量的幅值和相位盡可能相等,進而達到降低軸比值,優化軸比曲線,實現展寬天線圓極化帶寬的設計目標。

圖2 寄生介質板上的電場分布情況

為了對比不同寄生單元對天線軸比帶寬的影響情況,采用高頻仿真軟件HFSS對天線的軸比特性進行仿真分析,圖3給出了交叉偶極子天線僅加載寄生金屬板以及同時加載寄生金屬板和寄生介質板的軸比曲線對比情況。

圖3 不同寄生單元下的天線軸比曲線

從圖3可以看出,當天線周圍加載寄生金屬板時,天線產生了額外的軸比通帶,但是,此時中間頻點處的軸比值大于3 dB。當同時加載寄生金屬板和寄生介質板時,引入的兩個寄生介質板會影響交叉偶極子天線的場分布情況,從而將中間頻段的軸比值降到3 dB以下,達到降低天線軸比值的效果,進而實現展寬天線圓極化帶寬的設計目標。

采用高頻仿真軟件HFSS對交叉偶極子輻射單元進行仿真,交叉偶極子輻射單元在天線頻率為1.575 GHz時電流分布如圖4所示。圖中的Jx為x軸方向上交叉偶極子臂上的電流,Jy為y軸方向上交叉偶極子臂上的電流,圖4中x軸負方向和y軸負方向上的電流也統一表示為Jx和Jy,其中,J0°是當相位α為0°時x軸方向上的電流Jx和y軸方向上的電流Jy的疊加電流。從圖4可以看出,在1/4波長的相位延遲線的作用下,交叉偶極子輻射單元在1.575 GHz時,從0°、90°、180°至270°的4個相位時刻,偶極子臂上疊加后的電流矢量J0°、J90°、J180°及J270°依次正交并呈逆時針方向旋轉,驗證了天線能夠在上半空間輻射右旋圓極化波,說明了天線元件的右旋圓極化(Right Hand Circular Polarization,RHCP)輻射特性。

圖4 天線頻率為1.575 GHz處的電流分布

為了分析天線寬波束的形成原理,繼續分析在1.575 GHz時寄生金屬板上的電流分布情況。采用高頻仿真軟件HFSS對寄生金屬板進行仿真,寄生金屬板的電流分布仿真結果如圖5所示。從圖中可以看出,在垂直寄生金屬板上主要存在沿z軸方向上的電流Jz。由于垂直電流Jz的存在,能夠提供一個類似偶極子的輻射,當在交叉偶極子天線周圍添加寄生金屬板時,兩者的輻射強度會相互疊加,從而使得交叉偶極子天線在低仰角處的增益增加,而在正上方的增益幾乎不發生改變,使得天線的上半空間輻射方向圖能夠更加均勻,從而導致設計的圓極化交叉偶極子天線能夠在較寬的頻帶范圍內實現超過125°的半功率波束寬度,從而達到展寬波束寬度的效果。

圖5 天線頻率為1.575 GHz寄生金屬板電流分布

2 天線參數仿真

2.1 寄生介質板寬度對天線軸比的影響

寄生介質板會影響交叉偶極子天線的場分布情況,從而降低天線軸比值,進而展寬天線的圓極化帶寬。寄生介質板對天線軸比值影響的仿真結果如圖6所示。從圖中可以看出,當寄生介質板的寬度w3為30.4 mm時,天線中間頻段的軸比值仍大于3 dB,軸比特性未得到好轉。當w3增大至35.4 mm時,軸比曲線向下移動,軸比特性開始好轉。當將寄生介質板的寬度w3增大到40.4 mm時,軸比值小于3 dB的圓極化帶寬實現了展寬,軸比特性得到了較好地改善。

圖6 寄生介質板寬度t對天線軸比的影響

2.2 寄生金屬板高度h對S參數和軸比影響

圖7是4個寄生金屬板的高度h對所設計天線回波損耗S11影響情況的仿真結果。從圖中可以看出,在相同頻率的條件下,隨著高度h的增加,天線的回波損耗變化不大,兩個諧振點的偏移較小。

圖7 寄生金屬板高度h對天線回波損耗的影響

圖8為不同寄生金屬板的高度h對應的軸比變化情況的仿真結果。從圖中可以看出,隨著寄生金屬板的高度h的增加,天線的軸比曲線向下偏移,圓極化性能得到好轉。當高度h增加到46 mm時,高頻處的軸比帶寬增大,但是,繼續增大高度h至48 mm時,高頻點的軸比曲線向左偏移,天線的軸比帶寬減少,圓極化性能惡化。綜合寄生金屬板高度h對天線散射參數以及軸比帶寬的影響,當h的數值為46 mm時,天線的圓極化性能最好。

圖8 寄生金屬板高度h對天線軸比的影響

3 天線仿真結果

所設計天線的整體尺寸為85.0 mm×85.0 mm×48.5 mm,梯形偶極子臂的上底尺寸w0為2.5 mm,下底的尺寸w1為26.0 mm,上底到下底之間的高h0為31.1 mm,1/4波長的印刷圓環的內徑r1為4.5 mm,外徑r2為4.8 mm。上層介質基板的長度與寬度g均為80.0 mm,金屬地板的長度與寬度L均為85.0 mm,金屬地板的厚度h2為2.0 mm,寄生金屬板寬度w為42.5 mm,寄生介質板的寬度w3為40.4 mm,寄生金屬板和寄生介質板的高度h均為46.0 mm,寄生金屬板和寄生介質板的厚度w2均為2.1 mm。采用高頻仿真軟件HFSS對天線進行建模仿真以及優化,下面給出天線的最終仿真結果。

所設計天線的回波損耗曲線的仿真結果如圖9所示。由圖中可以看出,天線的-10 dB阻抗帶寬為1.39 GHz(0.82 GHz～2.21 GHz)。

圖9 天線的回波損耗

圖10為所設計天線的軸比曲線的仿真結果。從圖10中可以看出,軸比(Axial Ratio,AR)值小于3 dB的帶寬為1.24 GHz(1.15 GHz～2.39 GHz),說明所設計的交叉偶極子天線能夠實現覆蓋衛星通信的L頻段。

圖10 天線的軸比帶寬

圖11為所設計天線的增益曲線的仿真結果。從圖中可以看出,所設計的天線在頻率處于1 GHz～2 GHz帶寬范圍內增益變化值不超過2 dB,說明設計的天線具有相對平穩的增益特性。

圖11 天線的增益曲線

天線偶極子所在平面為xoy平面,z軸垂直于xoy平面。分別仿真了所設計天線在xoz平面即φ=0°和天線在yoz平面即φ=90°這兩個主平面的歸一化增益曲線。圖12為所設計天線在頻率為1.227 GHz的歸一化輻射方向圖仿真結果。其中,GainLHCP為左旋圓極化增益,GainRHCP為右旋圓極化增益。從圖中可以看出,天線在該頻點處主極化右旋圓極化的最大增益為4.22 dBi,右旋圓極化的場分量比左旋圓極化的場分量大15 dB左右,表明所設計天線的主極化對交叉極化有著一定的抑制作用,右旋圓極化特性良好。

圖12 天線在頻率為1.227 GHz處的輻射方向圖

分別仿真了所設計天線在xoz平面即φ=0°和天線在yoz平面即φ=90°這兩個主平面的歸一化增益曲線。圖13為所提出天線在頻率為1.575 GHz處的歸一化輻射方向圖的仿真結果。其中,GainLHCP為左旋圓極化增益,GainRHCP為右旋圓極化增益。從圖中可以看出,天線在該頻點處主極化右旋圓極化最大增益為3.22 dBi,該頻點處的交叉極化水平都在-15 dB以下,表明天線的主極化對交叉極化有著一定的抑制作用,所設計天線的右旋圓極化特性良好。

圖13 天線在頻率為1.575 GHz處的輻射方向圖

圖14為所設計天線的半功率波束寬度變化曲線的仿真結果。從圖中可以看出,在天線頻率處于1.15 GHz～1.70 GHz頻段范圍內兩個主平面的半功率波束寬度HPBW均大于125°,且隨頻率的增大呈上升趨勢。因為設計需要,將偶極子臂的一端延伸與同軸饋線的內芯相連接,因此,其中一個偶極子臂比另一個偶極子臂長。由于天線結構的不對稱性,導致天線的方向圖也不對稱,故隨著頻率的增加兩個主平面的半功率波束寬度HPBW并未保持一致。

圖14 天線的半功率波束寬度變化曲線

天線頻率在1.227 GHz和1.575 GHz時的軸比波束圖的仿真結果如圖15所示。其中,θ為天線仰角的余度。從圖中可以看出,在1.227 GHz和1.575 GHz這兩個頻點處,設計的天線在xoz平面上即φ=0°時,AR小于3 dB的軸比波束寬度分別為180°和212°。天線在yoz平面上即φ=90°時,AR小于3 dB的軸比波束寬度分別為181°和195°。從3 dB軸比波束的寬度可以看出,所設計天線的圓極化特性良好。

圖15 天線的軸比波束圖

4 結語

通過加載垂直寄生單元,利用交叉偶極子輻射單元與寄生單元之間的臨近耦合及寄生單元上存在的垂直電流,產生新的軸比通帶且增加了天線的低仰角增益,從而實現了寬帶寬波束的效果。仿真結果表明,所設計的天線獲得了1.39 GHz (0.82 GHz～2.21 GHz)的阻抗帶寬和1.24 GHz(1.15 GHz～2.39 GHz)的軸比帶寬,同時,天線能在1.15 GHz～1.7 GHz頻段范圍內實現超過125°的半功率波束寬度,圓極化性能良好,能夠較好地應用于L頻段衛星通信系統中。