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左手材料的圓極化貼片天線設計
摘要: 本文用左手微帶線和傳統的右手微帶線分別級聯在Wilkinson功分器上,并將其作為寬帶天線的饋電網絡;從而設計了一種新型寬帶圓極化貼片天線,該天線在各項性能指標上均表現突出,各項指標較傳統雙饋電型圓極化天線均具有顯著提高。
Abstract:
Key words :

0 引言

近年來,隨著現代微波通信的發展,寬帶圓極化微帶天線的發展越來越受到研究者的重視,各種形式的寬帶圓極化微帶天線層出不窮。而左手材料則以其基于集總電容、電感周期加載結構的形式更被廣泛地應用到寬帶化、小型化微波器件領域。在有關文獻的基礎上,設計了一種中心頻率為1.8 GHz的寬帶90°功分移相器,并通過L型探針結構給微帶貼片饋電,從而提高了這種天線的圓極化帶寬。

1 天線結構

該天線的結構示意圖如圖l所示。該天線通過Wilkinson功分移相器將輸入能量分成兩路幅值相同、相位差為90°的信號。這兩路信號通過探針耦合饋電到圓形輻射貼片。這種結構可以在金屬棒和天線金屬片之間引入更大的容抗,從而可以補償探針本身帶進來的高感抗,進一步增加天線和底板之間的高度。為了盡最大可能增加帶寬,本設計引入的混合空氣介質層不失為一個非常有效的方法,該方法不但可以方便地得到介電常數為1的空氣層,而且可以在普通的介質層上方便的印刷饋電網絡。為了擴展天線的圓極化帶寬,本文使用了寬帶圓極化天線結構,該天線由三部分組成,其中基于介質板的饋電網絡層的輸入特征阻抗為50Ω,介質板為邊長W的正方形;而處在空氣層中半徑為Rs的L型金屬棒的長度為L1,高度為H1,超出天線的邊緣距離為S1;第三部分是用于輻射的金屬片,其直徑為D,離地面的高度為H。

 

圓形貼片的主模是TMll模,根據上述天線結構,TMll模的場能量集中在空氣層。若激勵單元的諧振頻率為f,激勵模式為TMll模。那么,當貼片形狀為圓形,激勵板半徑為a時,則有:

 

根據上述公式,選擇基片的介電常數和厚度,就可以得到需要頻率點的初始圓形貼片尺寸。本設計選擇基片厚度為0.8 mm,介電常數為2.2的介質板Arlon Diclad 880(tm)做饋電網絡的基板,空氣層介電常數為l,中心頻率為1.8GHz。而在確定圓盤高度時,為了擴展帶寬,可將貼片與基板間距離拉大,但是,隨著它們之間高度的增大,方向圖將不再具有良好的輻射特性,且帶寬增加將不再明顯,一般可將高度選擇在0.1~0.15λ之間,同時為了能讓L型金屬棒起到更好的饋電作用,這里取H=20 mm(0.11λ)比較合適。通過公式(1)可以得到初始圓形貼片的直徑為104 mm。其他參數的取值為:W=180 mm,L1=36 mm,H1=ll mm,Sl=14 mm,Rs=l mm。通過HFSS軟件的優化仿真,可得到最佳貼片直徑D為76.5 mm。

2 寬帶功分饋電設計

Wlnkinson功分器的結構如圖2所示。該功分器可以看作一個三端口網絡。端口1為輸入端,端口2、3為輸出端,兩端間互相隔離。功分器的兩個分支線的特征阻抗是。對兩個輸出端分別加入CRLH-TLs和傳統傳輸線,則可使兩端口具有90°的相位差。

 

假設3端口為普通傳輸線,在中心頻率f0=1.8 GHz處的相位為-54°,那么,通過Agilent公司的ADS軟件計算得到的線長為18.3 mm。由于普通傳輸線的線性特性,可以很容易得到f1=1.5 GHz和f2=2.1 GHz處的相位分別為φR(f1)=-45°和φR(f)=-63°。
2端口加入CRLH-TLs后,頻率f1和f2處的相位

 

根據式(6)可以得到CRLH-TLs中RH-TLs的結構,再由式(5)、(7)以及匹配阻抗可得到L、C的大小值。取N=2,可得到RH-TLs的長為3.1-mm,LH部分L=11.5 nH,C=4.6 pF。這樣,便可使用ADS搭建電路并優化仿真。

3 仿真結果

圖3所示為仿真得到的S11、S21、S31、S22、S33和S23參數曲線,圖4所示為加入左手結構后兩端口的相位比較。

 

從圖3所示的S參數曲線和圖4所示的相位比較圖可以明顯發現,加入CRLH-TLs結構后,兩端口的傳輸特性仍能達到要求,而且在1.28~2.53GHz范圍內的端口相位差滿足90°±5°,這是普通微帶線根本無法比擬的。

 

根據未加入饋電網絡時軟件仿真結果,本設計的雙饋點圓極化天線結構的S11小于-lO dB時的帶寬為30%(1.46~1.94 GHz),增益>5 dB時的帶寬為62.2%(1.25~2.37 GHz)。顯然,相對于普通介質基板的圓極化天線,新天線的帶寬已有了很大的提高。

4 結束語

本文用左手微帶線和傳統的右手微帶線分別級聯在Wilkinson功分器上,并將其作為寬帶天線的饋電網絡;從而設計了一種新型寬帶圓極化貼片天線,該天線在各項性能指標上均表現突出,各項指標較傳統雙饋電型圓極化天線均具有顯著提高。

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