圆极化微带天线的设计与仿真

圆极化微带天线的设计与仿真

近年来，作为一种新型的微波微波天线，微带天然水平仪在开发和应用中以其低轮廓、可与载机的共形性、银行信号的分布方式、灵活的传输方式和小体积为优势。按照电磁波极化方式,微带天线主要分为线极化和圆极化。圆极化微带天线作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支,被广泛的运用于雷达、导航、卫星等电子系统中。由于圆极化波的特殊性质,使得收发天线间有很强的角度位置定位灵活性,并且能减小信号的多径干扰。圆极化天线的实用意义主要体现在几个方面,圆极化天线可接收任意极化方式的来波,且辐射波也可由任意极化天线接收,故电子侦察和抗干扰中通常采用圆极化天线;在雷达的极化分集和电子对抗等应用中也广泛利用圆极化天线的旋向正交特性。本文针对如何减小天线尺寸进行研究和设计,利用HFSS软件对圆极化微带天线进行仿真建模,采用高介质材料和开槽的方法来减小天线的尺寸,优化了天线的各项参数,通过对仿真结果的分析表明,该圆极化微带天线的各项指标参数良好,在保证尽可能小的尺寸的前提下,实现了足够大的增益,设计思想得到了很好的验证。1没有采用亚反冲探针的天线随着3G网络的逐渐普及和移动通信产业的飞速发展,对手持终端天线,尤其是微带天线的尺寸、性能提出了更高的要求,因此,国内外诸多学者纷纷把研究的重点转移到微带天线的小型化设计上。归纳起来,缩减微带天线尺寸主要有以下几种途径:一是采用高介质的PCB板材,根据微带天线谐振理论,当天线的谐振频率固定时,尺寸与板材的介电常数εr成反比,介电常数越大,天线的尺寸越小。但与此同时,天线的功率增益和带宽也随εr的增大而减小,此方法具有一定的局限性;二是采用加载短路探针法,在介质板中附加短路探针并使其靠近馈电探针,可以在很大程度上缩减贴片尺寸。其原理是利用短路探针和同轴探针之间形成强耦合,等效于一个电容加载,进行阻抗补偿,但是短路探针和馈电探针之间距离很近(通常为1mm),这对输入阻抗的特性影响非常敏感,不易加工和调试,另外这种天线的频带窄,增益低,使用上也具有局限性;三是在微带贴片上开槽以延长贴片表面的电流路径,从而降低天线的谐振频率,这是目前小型化设计中的主要方法,因为开槽在降低天线的谐振频率的同时,能够保证足够的带宽和增益,对天线性能的影响不大,也易于实现圆极化和双频双极化特性。近年来,诸多学者分别提出了微带天线小型化的思想,在取得一定研究成果的同时,也存在一些局限性。比如在三角形微带贴片上开不等臂长的十字槽或开不等臂长的Y形槽;在辐射贴片和寄生贴片上分别开半U型槽缝;在圆形贴片或方形贴片上插入一个缝隙等,这些天线都能够保证圆极化波辐射且使天线的尺寸有所减小,然而以上这些方法目的比较单一,单纯是为了减小尺寸而设计,虽然尺寸可下降40%,但是天线的增益通常偏低,无法实现有效的功率辐射,尺寸和增益之间似乎成了一对矛盾。如在文献中介绍的微带天线,其设计方法是在天线的拐角处开4个不等长的缝隙,并且在拐角处进行切角处理,实现了天线的圆极化辐射。该天线的谐振频率大约能下降近20%,尺寸缩小了近36%,但是其增益约为2.8dB,如果仅靠单个天线的话,根本不能产生远距离的功率辐射。天线尺寸的过分减小会引起性能的急剧降低,其中对带宽与增益的影响最大,而对方向图的影响不明显,因此开槽的方法需在小型化与性能之间折衷考虑。对圆形贴片,当槽的长度与半径之比约为0.622对应尺寸减小20%时效果较好。对于其它形状的微带天线,也可采用类似的方法进行分析。2天线的开槽长度d如图1所示,天线采用圆形的微带贴片,贴片的半径为R,介质厚度为h,相对介电常数为εr,贴片边缘上设置4个相同的窄槽,槽的引入使金属贴片表面的电流路径变的弯曲,使高频电流沿4个窄槽的边缘曲折流过而路径延长,贴片的等效尺寸相对变大,谐振频率下降,可以实现天线小型化设计。贴片边缘上的2个切角可以产生两个正交的谐振模TM10模和TM01模,再通过调整开槽和切角的长度以及在贴片上选择恰当的馈电点位置,使TM10模和TM01模简并,具有幅度相等,相位差为90°,从而产生圆极化波辐射。通过调整2个切角的长度D,同时调整边缘4个槽的长度L,并且在圆形贴片的对角线上选择合适的位置用同轴探针进行馈电,探针的特性阻抗为50Ω,就可以获得的良好圆极化性能。如图1所示,在A点馈电激励,产生右旋圆极化波;B点为A点关于轴线的镜像点,在B点馈电就能产生左旋圆极化波。综合考虑天线的各个性能参数,把天线的开槽宽度设置为w=1mm。介质基板的相对介电常数εr=9.6,厚度为h=4mm,用基于有限元法的三维电磁场设计软件HFSS10对该设计进行了建模和仿真。通过对诸多仿真结果的对比分析可以看出,在微带贴片边缘处开的4个槽对微带天线的工作频率有较大影响。相同贴片尺寸,槽开的越长,天线的谐振频率越低,即改变槽的长度对改变天线的谐振频率有更明显的效果。槽的宽度对天线的谐振频率也有影响,槽的宽度越大,天线的谐振频率越低,但是频率下降并不是很明显,轴比将受到影响。在微带贴片边缘上切角对天线的轴比影响较大,随着贴片上开槽长度增加,实现天线圆极化所需的切角变大。由于贴片中心未开槽,馈点由中心到边缘可使输入阻抗从低到高,从而实现良好的阻抗匹配,对天线加工时的误差要求也有所降低。3pc仿真仿真根据理论论证结果,选取如下的设计方案,即天线的尺寸为:R=20mm,D=1.8mm,L=17mm,w=1mm,底板的半径为36mm,εr=9.6,h=4mm,利用HFSS进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。在进行计算机建模之前,需要经过详细的理论分析过程,利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据,理论分析大体经过分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。经过仿真分析,可以得出天线的驻波VSWR如图2所示;天线的轴比如图3所示。天线的X-Z面的仿真远场方向图如图4所示,天线的Y-Z面的仿真远场方向图如图5所示。从上面的结果可以看出,轴比最小点的频率是1270MHz,而驻波最小点的频率也是1270MHz。选取驻波和轴比的折中点良好,轴比小于3dB的带宽为8MHz左右,轴比带宽约为0.63%,驻波带宽为15MHz左右(VSWR<2),驻波带宽约为1.2%,轴向上交叉电平达到了15dB以上。天线的增益超过了3.9dB,这是由于天线的尺寸未过分缩减,在小型化与性能之间取了较好的折中点。4hfss仿真本文针对微带天线的小型化技术进行研究和论证,设计了一种圆极化微带天线,选取高介电常数的介质材料作为基板,并在圆形贴片上开4个窄槽。HF