平面单极子天线馈电方法的设计与研究

2015-03-14 15:47:21来源: 互联网
  1 引言

  在2002年,FCC将3.1~10.6GHz频段分配为超宽带(UWB)应用频段。20世纪60年代,Rumsey首次提出阻抗带宽比大于10:1的SWB(super-wideband)天线[2]。随着系统对高数据速率和低功率的要求激增,SWB天线再次受到了广泛青睐。其超宽的频带可以覆盖绝大多数通信频段,如:GPS (1.57~1.58GHz)、WCDMA (1.92~2.17GHz)、UWB (3.1~10.6GHz)、ISM (5.725~5.875GHz&24~24.25GHz)、卫星通信系统 (Ku、K、Ka波段12~40GHz)、Vehicular Radar Systems (22~29GHz)以及LMDS (24、28、35 GHz) 。

  提出了一种采用平面盘锥天线与三叉戟馈电相结合的方法,使天线阻抗带宽比大于10:1。但是由于这两种天线工作频率均小于25GHz,且尺寸较大,因而在很多场合下(如要求具备高通信容量的Ka波段卫星通信系统)使用都会受到限制。本文在其基础上,提出了多种多端口馈电结构以及半圆实心馈电结构(见图2),并对其进行了分析比较。

  2 天线设计与仿真

  为了获得超宽带的频率特性,天线的微带馈电单元采用渐变结构,天线基质材料选择为Rogers RO4350B,相对介电常数为3.48,基质厚度h为1.524mm。通过在贴片上切角可以有效改善阻抗带宽,大大减小天线的尺寸,实现小型化。天线顶视图和侧视图如图1所示,图中各尺寸参数如表1所示。本文提出的其他几种馈电结构都是根据该结构演变而来的。

  

 

  图1 切角平面单极子天线

  表1 切角平面单极子天线尺寸参数(mm)

  DmaxLrabkcut_x

  4560840200.55

  DminWtopHWboth1tcut_y

  111303.65310

  利用CST Microwave Studio软件对图1中的单极子天线进行仿真,发现保持阻抗带宽不变的同时,通过在贴片上切角并调整cut_x和cut_y的大小可以使天线的尺寸减小近2/3(0.2λl×0.27λl,其中λl为最低工作频率时的波长)。为了增大贴片垂直方向上的电流并减小水平方向上的电流,从而减小交叉极化,增大带宽,本文提出了多种平面单极子天线结构,馈电端口数分别为2,3,5(如图2所示。注:本文中给出的各结构仿真结果均为优化后的最终结果)。各个馈电端口均采用下粗上细的渐变结构(该结构分支在分叉处馈线较粗,越往两端馈线越细),得到的驻波比特性如图3所示。下面分别对这几种天线进行分析比较。

  

 

  (a) 二端口馈电 (b) 三端口馈电

  

 

  (c) 五端口馈电 (d) 半圆实心馈电

  图2 多种切角平面单极子天线结构

 

  图3 不同端口数馈电天线驻波比特性的比较

  天线采用两端口结构进行馈电时,天线的驻波比特性见图3。与单端馈电相比,两端口馈电天线的带宽大为展宽,但是在18GHz附近VSWR大于2。这是因为贴片中心处没有馈电端口,因此电流只能以辐射方式耦合与从其它馈电端口传导至贴片中部(如图4(a)所示),这一弱耦合在一定程度上对天线的带宽产生了影响。为了改善这一影响,在中心处增加了一个馈电端口,电流分布更为均匀(如图4(b)所示),性能也明显得到改善,在1.37GHz~50GHz的极宽范围内得到了驻波比小于2的带宽。但当继续增多馈电端口时,性能改善不明显,因为在馈线分支处电流分布变得不规律且出现了反相(如图4(c)圆圈处所示)。从上述分析可知,增加天线馈电端口可以改善电流的分布从而改善驻波比带宽,但并非端口数越多越好,当端口数增加至3个时,再增加端口数对性能的改善不明显。

  

 

  (a) 两端口馈电结构

  

 

  (b) 三端口馈电结构

  

 

  (c) 五端口馈电结构

  图4 切角平面单极子天线电流分布情况

  但是,以上几种馈电方式都比较繁琐,制作也存在困难,因此为了简便起见,采用了如图2(e)所示的半圆实心馈电结构。利用CST进行仿真得到,与前面几种馈电方式一样,半圆实心馈电结构也能实现极宽的阻抗带宽,其阻抗带宽比(VSWR≤2)超过30:1(见图5)。

  3 结论

  本文以实现小型化超宽带印刷天线为主要目的,在综合了的两种天线的基础上,提出了切角平面单极子天线的多种多端口和半圆实心馈电结构,其阻抗带宽均高于30:1,能够覆盖多个通信系统频段,而且天线尺寸仅为0.2λl×0.27λl,有利于系统的集成化。

  

 

  图5 实心端口馈电结构的驻波比特性

关键字:平面单极

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0314/article_25889.html
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