5.8GHz高增益圆极化方形四环天线设计

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                1  引言

                         圆极化天线可接受任意极化的来波，圆极化天线辐射波也可被任意极化的天线接受到。随着通信技术的发展，对高性能的圆极化天线要求也越来越高。常用的圆极化天线通常采用螺旋天线、微带天线形式，与螺旋天线相比较，微带天线结构简单、成本低，所需空间小。但微带天线频带窄，增益低。本文采用环天线形式实现圆极化，而环天线一直被用来实现线极化。直到80年代，通过在环天线恰当的位置开口或引入枝节 [1-4]，可以使其产生圆极化。常使用的环天线形式有圆形、方形、菱形，以及三角形等各种形状。
                          
                         在无线电通信应用中，需要结构简单成本低的高增益圆极化天线。对双环天线结构，使用四元阵[2]可使增益提高到14.6dB，或使用腔型地板加子反射板[3]，使增益提高到11dB。这些都使结构复杂，需要的空间大，成本高。本文提出一种新的形式，结构由双环变为四环，使天线增益提高到12.2dB，既不需要复杂的地板，也不需要排阵。本文设计的天线工作在5.8GHz ISM频带（5.725GHz~5.875GHz）内，首先将四环天线与双环天线进行仿真比较，分析四环天线的性能，最后给出实测结果。
                          
                        2  天线设计

                         如图1（a）所示双环天线，由两个方形环组成，采用串馈型馈电形式。为使其辐射圆极化波，将开口取到馈电点处，形成倒S型使环上电流分布发生变化[4]。该双环天线印刷在距地板高h的介质板底面，这样可容易的与巴伦进行连接。优化缺口大小，形成左旋圆极化天线。将辐射贴片绕Y轴旋转180度可容易的将左旋圆极化改成右旋圆极化。
                          
                         在左旋圆极化方形双环的基础上加入新的左旋圆极化方形双环，形成四环天线，如图1（b）所示。两个方形双环天线尺寸不同，开口仍取在馈电点处。相邻两个大小不同的方形环并馈，与双环比较，可增大电流分布。然后与奇对称的另两个方形环串馈，整体四环电流分布形成左旋圆极化。由于电流幅度增加，所以提高了天线的增益。辐射贴片仍印刷在距地板高度为h的介质板背面。仿真优化四环天线各个参数，使其形成左旋圆极化。
                          
       

               

       

                （a）双环结构

       

               

       

                图1  天线结构

                          
                         在天线设计中，双环天线、四环天线和巴伦选取相同介质板。介质基板材料厚度1.5mm，相对介电常数 =2.2。地板均为半径90mm的圆形铜片。
                          
                         仿真优化天线具体尺寸：双环天线边长a=14.9mm，线宽d=0.8mm，间距w=1.5mm，缺口ds=1.0mm，高度h=13.2mm。四环天线边长a1=21.0mm，a2=18.5mm，线宽d=1.2mm。间距w1=3.4mm，w2=1.8mm，缺口ds1=4.1mm，ds2=1.8mm，高度h=13.2mm。
                          
                         本文选取宽带渐变巴伦并引入匹配枝节，巴伦的底部与50欧姆的同轴线相匹配连接，顶部组成平行双线与天线相连接。巴伦背面模拟地板，正面渐变线进行阻抗变换。通过调节巴伦渐变线的长度、匹配枝节的位置大小进行阻抗匹配。巴伦模型如图2所示，具体尺寸b1=1.5mm，b2=4.5mm，b3=20mm，b4=4mm，h1=4.5mm，h2=0.6mm，h3=10mm。
                          
       

               

       

                图2  巴伦结构

                          
                        3  仿真与实测结果

                         本文使用软件ansoft HFSS进行仿真，在仿真过程中，缺口大小和双环间距对轴比影响较大。相邻双环间距增加，主极化副瓣升高，增益变低，轴比也变差；间距变小，交叉极化升高，轴比变差。高度h对增益影响较大，高度降低增益变高，高度升高增益降低。高度h也对轴比有影响，但影响较小。方形环的边长影响谐振频率，边长变大，频带向低频偏移，边长变小，频带向高频偏移。线宽d对轴比也有影响，影响较小，对阻抗影响较大。环间距w1和w2对阻抗影响很大。
                          
                         经优化后的仿真双环天线和四环天线增益方向图在φ=0°和φ=90°两个面相似并且对称。在5.65GHz～5.9GHz频段内各个频点增益方向图没有明显变化，如图3所示仅给出φ=0°面中心频率5.8GHz的仿真增益方向图。
                 
                         四环天线增益确实与设计相符，提高2dB。波束宽度比双环天线变窄，在中心频点5.8GHz处，半功率波束宽度由双环天线的60°降低到四环天线的40°。四环天线交叉极化分量与双环天线相比变差，因为邻近并馈双环间电流分布相互影响，增加了交叉极化分量。
                          
       

               

       

                图3  四环与双环天线增益方向图在φ=0°面比较

       

                 

                         轴比带宽（AR<3dB）如图4所示由双环天线的17%降到四环天线的3.8%。双环天线增益在5.3GHz~6.3GHz频段内均约为9.9dB。四环天线增益在5.65GHz～5.9GHz频段内从11.3dB升高到12.4dB，增益平均提高2dB。而天线尺寸和地板尺寸都没有增加，在实际应用中可以减少天线阵列的单元数，减小馈电网络的复杂性。
                          
       

               

       

                图4  四环与双环天线增益轴比随频率变化曲线

                          
                         天线实物如图5所示，辐射单元印刷在介质板背面，分别与巴伦顶部双线正面和背面进行焊接。巴伦底部正面与50欧姆SMA内芯、背面和地板进行焊接。在焊接中，要保证天线、巴伦和地板三者两两垂直。
                          
       

               

       

                图5  天线实物

                          
                         驻波测试使用Agilent E8363B矢量网络分析仪，实测结果与仿真结果如图6所示。测试结果与仿真结果吻合较好，在所需5.65GHz～5.9GHz频段内均小于2，实现了阻抗匹配。由图6可见，所采用的渐变巴伦为宽带巴伦，在频段5GHz～6GHz内均小于2，实测结果向低频偏移。
       

               

       

                图6  VSWR仿真和实测结果对比

                          
                         在中心频点5.8GHz测试了该四环天线实物的方向图。天线测试方向图如图7所示，与图3比较可见仿真与实测吻合较好。只是交叉极化误差较大，主极化后瓣测试结果较高。
       

               

       

                图7  四环天线测试方向图

                          
                        4  结论

                         本文通过改进双环天线，提出了新型方形四环天线结构。并将双环天线与四环天线进行仿真比较，优化天线各个参数，使得仿真结果满足设计要求，增益平均提高2dB。并制作了工作ISM5.8GHz频段 （5.725GHz～5.875GHz）的左手圆极化四环天线。使用宽频带渐变巴伦进行阻抗变换，驻波带宽（VSWR<2）大于18%，实现了阻抗匹配。在5.725GHz～5.875GHz内平均增益为12.2dB，与双环天线相比，提高了天线增益。