L型探针耦合圆柱共形贴片天线辐射特性分析

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                1  引言

                        微带贴片天线是谐振式天线，无论采用微带馈电还是同轴馈电，都存在频带窄的缺点，一般在2～5%左右；采用L－型探针耦合馈电的贴片天线，可以解决大大提高天线的带宽，带宽比到20％[；有限柱面上的贴片天线和天线阵，在通信基站中应用广泛，而采用矩量法（MOM）求解L－型探针馈电圆柱贴片天线电场积分方程，计算了贴片天线辐射方向图的情况，分析的是平面矩形贴片而不是真正和柱面共形。
                         
                        本文利用柱坐标FDTD方法，采用单轴各向异性完全匹配层作为吸收边界，采用金属柱体延伸到吸收层内的做法以避免柱坐标FDTD算法中心值奇异问题，来计算L型探针耦合共形贴片天线的辐射特性。
                         
                        2  单个柱面共形贴片天线分析

                        天线的工作参数(mm)为：Hc=132，Rc=50，L= W=44，s=14，s1=9.5，s2=20。f0＝2.45GHz。采用柱坐标FDTD计算参数为： ， ， ， 。采用硬激励方式的δ源馈电，采用高斯脉冲信号。
                         
       

               

       

                图1  探针馈电的圆柱共形贴片天线

                         
                        2.1  共形贴片和平面贴片S参数比较

                        图2是二种情况下的馈电点回波损耗和驻波比比较，平面情况结果为采用共形FDTD算法计算得到。
                         
       

               

       

                  (a)  S11

       

               

       

                (b)  VSWR

       

                图2  共形贴片和平面贴片天线S参数比较

                         
                        平面矩形贴片的带宽为0.71GHz，带宽比28.57％；柱面矩形贴片，带宽为0.74GHz，带宽比29.37％。柱面矩形的带宽相比平面矩形略有提高（0.8％）。此外，从回波损耗来看，柱面矩形要稍高于平面矩形情况，这主要是由于矩形贴片弯曲之后，贴片的输入阻抗变化所致，通过调整馈电参数s1、s2，可以更好地实现阻抗匹配。
                2.2  共形贴片和平面贴片方向图比较

                        图3为共形贴片和平面贴片情况的方向图比较，在E面和H面，柱面矩形贴片的前向、后向辐射增益分别为8.1dB、-7.8dB；平面矩形贴片的前向、后向辐射增益分别为7.73dB、-6.43dB。二者相比较，发现柱面矩形的辐射性能比平面情况有所提高，前向辐射增加0.37dB,后向辐射降低1.37dB。
                         
       

               

       

                (a)  E面

       

               

       

                (b) H面

       

                图3  共形贴片和平面贴片天线方向图比较

                         
                        3  柱面共形贴片阵列分析

                        这里金属柱体高度:Hc=7l，贴片轴向间距Sd=37.0mm ，其它天线参和前面一致。下面分别研究纵向阵元个数变化，以及金属柱体变化对辐射特性的影响。
                         
       

               

       

                图4  轴向放置的L探针馈电共形贴片阵列

                         
                        3.1  贴片阵元个数的影响

                        采用柱坐标FDTD算法，对阵元个数分别为4、6、8时，进行了计算。圆柱柱坐标的计算参数和前面保持一致。
                        从图5看出，不同个数的阵列，在H面方向图的形状保持一致，仅是随着阵元数的增多，增益有所提高，分别为12.39、14.03、15.07dB；在E面，随着阵元个数的增加，除了天线增益有所提高外，波束逐渐变窄。
                         
       

               

       

                （a）E面

       

               

       

                （b）H面

       

                图5  不同阵元个数方向图比较

                3.2  柱体半径的影响

                        采用八列单元，金属半径分别取35mm、50mm、62.5mm，其它参数和前面保持一致，计算结果如图6所示。
                        从图6看出，当柱体半径逐渐增加时，前向辐射增益逐渐增强，分别为14.74, 15.07, 15.28dB，后向辐射逐渐减弱，分别为-8.08, -12.48,-16.9dB。在E面，方向图的旁瓣减弱的比较明显，在H面，方向图形状的变化不明显。
                         
       

               

       

                （a）E面

       

               

       

                （b）H面

       

                图6  柱体半径对方向图影响

                         
                        4  结论

                        本文采用柱坐标FDTD方法对L型探针耦合的圆柱共形贴片天线辐射特性进行了研究，表明共形贴片与平面矩形相比，带宽以及辐射特性均有相应提高。并且，阵列个数、柱体半径等参数变化对辐射特性的影响与平面贴片规律一致，与文献[1]结论吻合。采用柱坐标FDTD方法，与文献[1]采用的方法比较，分析更简洁，效率更高