1 引言
微带缝隙天线有很多种,而其中之一就是环形微带缝隙天线。一般情况下,它的结构都是比较固定的,即通过在介质基片的接地板上刻蚀出圆环形缝隙,并由微带线在介质基板另一侧对该环形缝隙耦合馈电。环形缝隙天线之所以能够被广泛地应用,得益于同心的环形缝隙阵能够获得一致的定向性且环缝之间耦合较小,所以常用来实现多频天线和组阵。传统的环形缝隙天线辐射的是线极化波,可以通过下式大概的计算出它的谐振频率:
公式1 谐振频率计算公式
传统的环形缝隙天线产生的是线极化场,若在环缝上引入“分离简并单元”,或是采用等幅相位相差90°的双馈,则也可实现圆极化,这和微带贴片天线是一样的。微带环形缝隙天线的方向图在不添加反射板时是双向辐射的,它比微带贴片天线的带宽更宽,且寄生辐射和表面波激励都不严重。对制造公差的敏感性,微带缝隙天线要比微带贴片天线好很多。
2 双频双圆极化微带缝隙天线的设计
在前期的设计中,通过采用环形缝隙结构我们成功实现了一个双频圆极化微带天线,该天线在两个频段均为左旋圆极化,而在实际应用中,手机等无线终端设备为了达到减小尺寸这一目标,一般都采用线极化的天线,因为即使采用线极化天线也能满足基本需求。我国现在使用的北斗卫星导航系统,就是一个很成功的范例,并且目前该系统已经开始为别的国家提供服务。
该系统与GPS等早先建成的几大卫星定位系统的不同之处之一在于它具有短报文通信功能,也就是说,终端设备与卫星之间可以进行双工通信,而GPS等定位系统的终端设备仅仅是一个接受卫星信号的设备。这也使得北斗卫星导航系统的两个工作频段分别仅用于发射和接受信号,即一个是上行频段(1.600~1.616GHz),另一个是下行频段(2.485~2.500GHz)。而且为了进一步降低干扰,两频段的圆极化旋向相反,上行频段采用的是左旋圆极化,而下行频段采用的是右旋圆极化。这就需要设计一种能够实现双频双圆极化的天线,所谓双圆极化就是指在天线两个工作频段上的圆极化旋向相反,旋向相反的双频圆极化天线很难采用双馈的方式实现。本节在前期设计的基础上采用类似的同心环形微带缝隙结构设计了一种可应用于北斗卫星导航系统的双频双圆极化天线,对天线的性能进行了研究和分析,并给出了仿真与测试结果。
其设计目标如下:
工作频段:BD1:1.600~1.616GHz BD2:2.485~2.500GHz
输入阻抗:50Ω
驻波比:≤2
极化方式:BD1频段左旋圆极化,BD2频段右旋圆极化
轴比:≤3dB
2.1天线的结构
天线结构如图2-1所示,为印刷在介电常数为4.4的FR4介质板上、由阶梯微带线从背面耦合馈电的环形微带缝隙天线,但采用了结构更为简单的两个同心环形缝隙。天线外环缝隙在相对x轴135°和315°处向外刻蚀有一对方形槽,内环缝隙则在相对x轴45°和225°处向内刻蚀有一对方形槽。外环两刻蚀槽的连线与内环两刻蚀槽的连线相互正交,以获得两个频段处相反旋向的圆极化波。
在双频双圆极化天线的设计中,结构的简洁性是十分重要的,究其原因就是天线的尺寸参数不同对其性能的影响并非独立的,也就是说某些参数主要影响天线的阻抗匹配性能,但也会对其圆极化性能产生一定的影响,因此每减少一个参数,参数调节的工作量都会大幅下降。天线的尺寸参数越少,则天线越容易调试,也越具有通用性,可以较为容易的移植到其它频率使用。因此采用结构更为简单的环形缝隙对于双频双圆极化的实现更为有利。图中各部分尺寸大小如表1所示。
表1 双频双圆极化微带缝隙天线尺寸(单位:mm)
图2-1 天线结构
2.2天线参数的分析
本节提出的双频双圆极化微带缝隙天线结构均拥有多个几何参数。天线的两个工作频段大体上由内外两个环形缝隙所决定。在根据频率确定两环形缝隙的半径之后,需要调整一些关键参数以获得理想的双频双圆极化特性。所以,我们必须从由参数变化引起的天线阻抗匹配以及圆极化性能的改变开始研究,然后得到最佳理想的结果。
Ls是微带馈线终端开路短截线的长度。在前期的设计中,我们了解了微带线缝隙耦合馈电的原理,该开路短截线的长度决定了其引入的电抗大小,从而影响最终的阻抗匹配。我们还根据仿真的结果,得出了Ls的变化会影响高低频段的反射系数。当然,它们之间存在不同点。在低频段,Ls的变化引起反射系数在大小上的整体变化,而在高频段,Ls的变化带来的则是反射系数相对于频率的平移。通过观察天线轴比曲线的变化情况时,我们会发现,Ls对于圆极化性能的影响在高频段显得尤为明显,轴比曲线随Ls的增大略微向低频平移,Ls的变化对于低频段圆极化性能的影响则可以忽略不计。总体上看,微带馈线终端开路短截线的长度Ls对于天线阻抗匹配的影响要大于其对圆极化性能的影响。
t和s分别是天线内外环形缝隙上方形刻蚀槽的边长。刻蚀槽实际上也是一种“分离简并单元”,其作用是激励起两个辐射正交极化的简并模从而实现圆极化,因此其尺寸大小主要决定天线的圆极化性能。但刻蚀槽的大小并非对于天线的阻抗匹配就没有影响。可以预见,刻蚀槽的尺寸越大,环形缝隙的平均周长就越大,环形缝隙的谐振频率就越低。然而,刻蚀槽的尺寸大小与于天线圆极化性能之间存在的关系,仍是我们必须关注的。我们根据前期设计的仿真图形,可以得出,当刻蚀槽边长取值向大或向小偏离某最优值时,轴比均产生整体上的恶化。
3 模型的建立与仿真
3.1天线的模型
根据前期的设计思路和具体的数据,在HFSS软件上画出双频双圆极化微带缝隙天线的模型图。刚开始做出来的模型,效果不太好,为了后期的仿真结果更加符合实际情况,对模型进行了很多次的修改,最后的模型3-1中两个图形所示,分别呈现的是模型的上表面以及下表面的情况。
图3-1 天线的模型
3.2天线的仿真
在天线相关性能的描述中,S参数是一个非常常见且十分重要的概念,它可以从一定的程度上反映出天线性能的好坏。正常而言,我们都参考S11的值,通过观察它的大小,来分析相关天线的性能好坏。当S11的值很大的时候,就证明天线的性能很一般。因此,我们就希望得到的S11的值很小,这也就代表着设计的可行性。天线的驻波比描述的是天线的匹配状况,当天线的匹配情况不好时,反射的功率就多,驻波比越大,驻波比数值在1到无穷,一般工业要求驻波比小于2即可。
前期的仿真,因为设计的不严谨、操作的不科学以及没有进行优化等,仿真结果跟理想状态相去甚远,完全达不到设计要求,如下图3-2所示的是前期的仿真结果图。设计的是双频天线,但是在S11上,我们却得到了三个频段,这一结果,明显不符合设计要求。
考虑到具体的实际情况,通过不断地分析比较,得到了上表1中的天线结构参数。根据这些参数,不断对模型进行优化,最终得到了图3-3所示的回波损耗以及驻波比的仿真图。
图3-2 优化前的曲线
图3-3 优化后的回波损耗以及驻波比的仿真曲线
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本文标题:一种小型化双频圆极化微带天线设计(上)