寬帶寬角圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

寬帶寬角圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

1容性近耦合平衡饋電的寬角cp微帶天線由于寬角橢圓軌道（本手冊所稱的寬角為45）和具有良好的電氣特性（重量輕、體積小、輪廓低），因此對(duì)許多應(yīng)用前景的開發(fā)（不需要進(jìn)行極化跟蹤，并且在寬角上的極化損失損失低）。然而，關(guān)于這種天線設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很少。近年來，有許多改進(jìn)微帶天然銀行在世界上微帶天然銀行抗彎寬度的設(shè)計(jì)方法。雖然有些考慮了交叉極化，但不幸的是，這些方法中只有少數(shù)可以同時(shí)延長寬軸比寬度。一般來說，古典微帶的天線只有大約10%的帶寬。在文獻(xiàn)中，使用第一層高介電常數(shù)基板和兩層低介電常數(shù)基板的兩層總平均數(shù)，3db的ar帶寬達(dá)到32%，但不包括帶中的vswr。事實(shí)上，在激勵(lì)矩陣中使用高介電常數(shù)基板會(huì)降低抗彎能力。輸出微帶的干摩擦天線可以獲得非常寬的抗彎寬度，但隨后的表面波和高次模的激勵(lì)顯著限制了ar的寬度。此外，通常的圓極化微帶天線只有在軸向的方向上有良好的抗彎輻射，因此需要在寬角內(nèi)使el和ehz的分量在寬角中趨于平等。普通探針饋電需要焊接,裂縫耦合饋電易使介質(zhì)基板間不準(zhǔn)直,這些不連續(xù)性易激勵(lì)高次模,導(dǎo)致交叉極化電平升高,增大AR,而使用帶帽的探針或L型探針等容性探針近耦合饋電能避免饋電點(diǎn)的不連續(xù)性,并且加工容易,其阻抗帶寬也很寬.使用四個(gè)容性探針的平衡饋電方式,可使Eφ和Eθ分量在寬角范圍內(nèi)近于相等,并對(duì)已產(chǎn)生的高次模有抑制作用,所以改善了寬角AR性能.由于其寬帶寬角圓極化特性,也非常適合作為陣列天線單元,當(dāng)然,應(yīng)用時(shí)需考慮互耦對(duì)寬角AR性能的影響.文中對(duì)容性耦合饋電的CP微帶天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,并獲得非常好的結(jié)果,其3-dB軸向AR帶寬達(dá)到35%,且頻帶內(nèi)VSWR≤2.本文在此基礎(chǔ)上對(duì)容性近耦合平衡饋電的寬角CP微帶天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明同時(shí)滿足VSWR≤2和寬角AR≤3dB的帶寬達(dá)到26.33%.雖然本文使用的容性探針是帶帽的探針,但該方法也適用于其它容性探針如L探針等.2帶寬抗側(cè)差異的作用機(jī)理提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,采用四個(gè)探針對(duì)下層輻射貼片近耦合容性平衡饋電,上層輻射貼片是寄生貼片,主要是為了擴(kuò)展帶寬.兩層貼片間是空氣層,而下層貼片(激勵(lì)貼片)和接地板間是低介電場數(shù)的介質(zhì),再加上探針帽的容性補(bǔ)償,根據(jù)文,此結(jié)構(gòu)可獲得25%左右的阻抗帶寬(單個(gè)饋電點(diǎn)時(shí)).四個(gè)探針的平衡饋電方式不僅可以獲得好的寬角AR,而且可以大大改善阻抗帶寬.阻抗頻帶和寬角AR頻帶間存在不一致,阻抗帶寬在一定條件下隨著微帶天線厚度的增加而增加,而厚度的增加會(huì)使表面波和高次模的激勵(lì)更加嚴(yán)重,從而惡化寬角AR性能.這種不一致性嚴(yán)重制約了寬角CP微帶天線的帶寬.四點(diǎn)平衡饋電由于其寬阻抗帶寬性能可以緩解這種矛盾,因?yàn)樗梢誀奚鼏蝹€(gè)饋電點(diǎn)的阻抗帶寬來獲得寬帶寬角AR,同時(shí)保證總的輸入端口仍有足夠的阻抗帶寬.所以,我們可以調(diào)整h3和S值,來優(yōu)化寬角圓極化帶寬,經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)h3大約為0.06λ0,S大約為0.048λ0(λ0為自由空間里的中心頻率波長)時(shí),寬角CP帶寬獲得最佳值.近耦合饋電一方面能提供補(bǔ)償探針感抗的容抗;另一方面可以避免探針焊接饋電和裂縫耦合饋電等帶來的不連續(xù)而引起高次模激勵(lì),而高次模的激勵(lì)會(huì)惡化AR.貼片是采用圓形貼片,但方形貼片同樣適用,而且探針也可用其它形式的容性探針代替,如L探針等.天線饋線結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,在寬帶寬角CP天線中,饋電網(wǎng)絡(luò)起著重要的作用.四個(gè)端口的激勵(lì)必須等幅,相位依次差90°,且在寬頻帶內(nèi)為天線提供匹配的輸入.任何阻抗失配和幅相誤差都會(huì)導(dǎo)致AR的惡化.如圖1(b)所示,通過三個(gè)Wilkinson功分器提供等幅激勵(lì),而90°的相位差則為了簡單起見采用端口之間的饋線長度差四分之一中心頻率波長來獲得.每個(gè)功分器均使用片狀隔離電阻,確保四個(gè)端口之間相互隔離,由對(duì)稱性可知,端口間幅度誤差很小.顯然,隨著頻率偏離中心頻率,相位誤差線形增加;雖然和幅度誤差相比,相位誤差對(duì)AR的影響較小,但當(dāng)頻帶超過20%后,其對(duì)AR的影響十分顯著,從而嚴(yán)重制約了寬角AR帶寬.解決方法有兩種:一是采用數(shù)字移相器;二是利用耦合線固定移相,它來源于差分移相器,能在倍頻程內(nèi)提供幾乎不變的移相.它們的缺點(diǎn)是加工難度高、占用面積較大,受加工工藝和饋電層能用面積的制約.就本文設(shè)計(jì)的天線來說,由后面的分析可知,簡單的饋線網(wǎng)絡(luò)在一定程度上制約了寬帶寬角CP微帶天線的帶寬.3寬角ar頻帶我們按上述天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為1.8GHz(這里的中心頻率針對(duì)軸比頻帶,同時(shí)饋線網(wǎng)絡(luò)也按中心頻率設(shè)計(jì))的寬角CP微帶天線,并對(duì)其電氣性能進(jìn)行了測試.從實(shí)用性強(qiáng)和一致性好的角度考慮,將蝕刻有圓形貼片的兩層敷銅板的厚度均定為1.5mm(即h1=h2=1.5mm),這有利于保證基片表面平整度,因?yàn)樘〉幕菀鬃冃?激勵(lì)貼片下的介質(zhì)厚度為h3=10mm(約0.06λ0),空氣層厚度為S=8mm(約0.048λ0),總厚度為21mm(約0.126λ0),天線的其它參數(shù)如下:ε1=2.6,ε2=2.6,ε3=2.2,d=19mm,r=4.1mm,上層貼片R1=24m,下層貼片R2=23.5mm),為敘述方便稱該天線為天線1.圖2(a)是VSWR實(shí)測曲線,圖2(b)是AR實(shí)測曲線.可見阻抗帶寬很寬(低頻截止頻率為1.54GHz),接近1GHz,且高頻端比低頻端有更好的VSWR.這是因?yàn)楫?dāng)頻率升高時(shí),天線的電氣厚度相應(yīng)增加的緣故.由圖2(b)可知,寬角AR頻帶為1.55～2.02GHz,若按中心頻率等于(fL+fH)/2(fL、fH分別表示頻帶的低頻和高頻)的定義,中心頻率應(yīng)為1.785GHz,與設(shè)計(jì)的中心頻率1.8GHz相比偏離了15MHz,所以寬角AR帶寬為26.33%,并且寬角AR頻帶在阻抗頻帶內(nèi).然而,可以看出寬角AR頻帶在阻抗頻帶的低頻部分,一方面是因?yàn)轲伨€網(wǎng)絡(luò)是按中心頻率1.8GHz設(shè)計(jì)的,隨著頻率偏離1.8GHz,饋線網(wǎng)絡(luò)的移相誤差線形增加,導(dǎo)致AR升高.從一定程度上說,由于饋線網(wǎng)絡(luò)造成的線形移相誤差限制了寬角AR帶寬.在寬角AR頻帶(1.55GHz～2.02GHz)內(nèi),對(duì)四個(gè)輸出端口之間的相位差進(jìn)行了測量,若以第一個(gè)端口(見圖1(b))為標(biāo)準(zhǔn),則第二、三、四個(gè)端口依次為:-76.35°～-100.25°、-159.3°～-207.5°、-234°～-301.1°;而幅度誤差不超過0.5dB.可見相位誤差較大,雖然獲得了較寬的寬角AR帶寬(歸因于幅度誤差很小,再加上采用平衡饋電方式),但由于移相誤差線形增加使得寬角AR帶寬再難進(jìn)一步展寬,由此可見若想獲得更寬的寬角AR帶寬,需要改進(jìn)饋線網(wǎng)絡(luò),減小移相誤差.另一方面,當(dāng)頻率升高時(shí),天線的電氣厚度增加,高次模和表面波的激勵(lì)也越來越嚴(yán)重,從而制約了寬角AR頻帶.高次模和表面波激勵(lì)的大小主要和激勵(lì)貼片下的介質(zhì)厚度有關(guān),因此當(dāng)激勵(lì)貼片下的介質(zhì)厚度一定時(shí),AR頻帶所能達(dá)到的最高頻率范圍就確定了,而同時(shí)阻抗頻帶所能達(dá)到的最低頻率范圍也確定了,所以需要優(yōu)化激勵(lì)貼片下的厚度,使阻抗和AR在頻帶內(nèi)都滿足要求.同時(shí)調(diào)整寄生貼片和激勵(lì)貼片間的厚度,可以優(yōu)化AR帶寬.由文可知,兩貼片間距越近,耦合越強(qiáng),激勵(lì)貼片下的高次模和表面波對(duì)軸比影響就越強(qiáng)烈,兩貼片間距越遠(yuǎn),耦合越松,激勵(lì)貼片下的介質(zhì)對(duì)高次模和表面波的束縛就越緊,其影響就越小.但若兩貼片間距太遠(yuǎn),又會(huì)在寄生貼片下激勵(lì)新的高次模和表面波.因此h1和S有個(gè)最佳值(當(dāng)蝕刻貼片的介質(zhì)板選定時(shí)).為了說明S變化對(duì)寬角軸比帶寬的影響,我們分別對(duì)當(dāng)S=10mm和S=5mm(其它參數(shù)不變)的兩種寬角圓極化貼片天線(分別稱為天線2、天線3)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試.圖3(a)是其VSWR測試曲線,天線3在低頻端的截止頻率是1.554GHz,天線2在低頻端的截止頻率是1.547GHz,可見S在一定范圍變化時(shí),對(duì)阻抗頻帶影響很小,只是當(dāng)S減小時(shí)會(huì)使阻抗頻帶的低頻端稍有縮減.圖3(b)是在φ=0°平面上的寬角AR曲線,與天線1相比,天線2在φ=0°平面上的寬角軸比帶寬縮短了,主要是頻帶的高頻部分縮短了,而頻帶的低頻卻得到了展寬.這是因?yàn)殡m然寄生貼片和激勵(lì)貼片間是松耦合,但由于間距太遠(yuǎn),高頻時(shí)會(huì)激勵(lì)較強(qiáng)的高次模和表面波.而在低頻時(shí),不會(huì)激勵(lì)新的高次模和表面波,同時(shí)激勵(lì)貼片下的高次模和表面波被緊緊束縛介質(zhì)中,因此對(duì)天線的AR特性影響較小.與天線1比較,天線3在Φ=0°平面上的寬角軸比頻帶在高頻端和低頻端均縮短了,這歸因于兩貼片間耦合太強(qiáng),使得激勵(lì)貼片下的高次模和表面波嚴(yán)重影響了天線的AR特性.圖4是1.8GHz時(shí)天線1在方位角為0°和45°時(shí)測得的方向圖.測量是在微波暗室中進(jìn)行的,發(fā)射天線采用帶有反射板的線極化振子天線并快速旋轉(zhuǎn).由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)的CP天線作為發(fā)射天線,未測量寬角CP天線的增益.但在寬角AR頻帶內(nèi)測量的方向圖中發(fā)現(xiàn),其3dB波束寬度變化很小,可以斷定頻帶內(nèi)增益變化不大.4微帶天線的設(shè)計(jì)及仿真本文提出了一種新的寬帶寬角圓極化貼片天線設(shè)計(jì)方法,并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.在利用容性探針近饋電的基礎(chǔ)上,通過平衡饋電,使得天線的阻抗帶寬(VSWR≤2)和寬角軸比(45°圓錐空域內(nèi)的AR≤3dB)帶寬達(dá)到20%以上.實(shí)驗(yàn)測試表明,通過該方法設(shè)計(jì)的寬角圓極化微帶貼片天線,其寬角軸比帶寬達(dá)到26.33%,同時(shí)頻帶內(nèi)VSWR均滿足要求.同時(shí)我們還考察了容性探針下的介質(zhì)厚度、激勵(lì)貼片和寄生貼片間的厚度對(duì)天線的AR特