應(yīng)用于方向回溯天線陣的分形雙極化天線詳細教程

1 引言

隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，迫切需要低成本、高增益，同時具有自動波束跟蹤能力的新型天線的出現(xiàn)。基于相位共軛技術(shù)而提出的方向回溯天線（Retrodirective Antenna）能自動發(fā)射來波的響應(yīng)信號（入射信號或者處理后的入射信號）到來波方向，而不需要來波方向的先驗知識和復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。相對于傳統(tǒng)天線技術(shù)和通常的自適應(yīng)天線技術(shù)，方向回溯天線技術(shù)具有快速跟蹤的特性和更好的性價比，這一特點使得其在通信、射頻識別、共形天線、功率傳輸?shù)阮I(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

為了減少方向回溯天線陣元數(shù)目，實現(xiàn)收發(fā)隔離，方向回溯天線陣常采用雙極化天線。雙極化天線自身具有頻率復(fù)用、收發(fā)一體化、極化分集、提高系統(tǒng)靈敏度、極化捷變等特點。在方向回溯天線陣列系統(tǒng)中應(yīng)用雙極化天線收發(fā)一體化的特點，將一對正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端，實現(xiàn)收發(fā)隔離，使得方向回溯天線在通信系統(tǒng)中發(fā)揮更好的作用。

雙極化天線饋電結(jié)構(gòu)形式多種多樣，通常采用的基本形式有：（1）共面饋電形式，分為角饋和邊饋兩種基本形式。共面饋電隔離度較差，一般只應(yīng)用于特定場合或者工程要求不高的情況下；（2）共面和口徑耦合相結(jié)合饋電形式。這種饋電方式可實現(xiàn)高隔離度，極化純度較高等優(yōu)點，但由于饋電在不同介質(zhì)層上，不易用于天線陣列的設(shè)計；（3）口徑耦合饋電形式。采用開C形或H形槽來實現(xiàn)高隔離度雙極化天線，許多工作者采用這種饋電形式實現(xiàn)雙極化。

為提高天線工作帶寬和端口隔離度，本文采用了H形槽和電容加載H形槽相結(jié)合的口徑耦合饋電形式，輻射貼片采用二級Minkowski分形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一種高隔離度分形雙極化微帶天線的設(shè)計，將其作為方向回溯天線陣列單元（工作頻率范圍4.4 GHz ~ 5 GHz）。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.1對該天線進行電磁仿真，并加工實物，利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行實際測試。測試結(jié)果顯示VSWR＜2的相對阻抗帶寬H端口達到17.6 %，V端口達到20.5 %，雙端口隔離度大于35 dB，天線增益大于8 dB，前后比大于20 dB，仿真和測試結(jié)果均滿足方向回溯天線系統(tǒng)對天線單元的要求指標。

2 天線設(shè)計

分形口徑耦合雙極化微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1（a）為天線側(cè)視圖，圖1（b）為天線的俯視圖。天線主要由兩層介質(zhì)板構(gòu)成，上層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯材料，輻射貼片刻蝕在上層介質(zhì)板的下表面，這樣上層介質(zhì)板可起到天線罩的作用加以保護。下層介質(zhì)板采用FR4材料，接地板和饋線分別位于下層介質(zhì)板的上下兩側(cè)，H形和加載H形槽開在接地板上且互相垂直。

兩層介質(zhì)板之間為空氣層，這相當于將上層介質(zhì)板的厚度增加到原厚度與空氣間隙之和，因此降低了介質(zhì)板的平均相對介電常數(shù)，即降低了該微帶天線的Q值，從而達到了增大頻帶寬度的目的，同時也有助于提高天線的增益。

為了減小天線尺寸，天線輻射貼片采用二級Minkowski分形結(jié)構(gòu)，分形結(jié)構(gòu)改變了輻射貼片電流分布，使電流沿著曲折的導(dǎo)體面而非簡單的幾何面分布，相當于增加了電長度，降低諧振頻率，因此可以減小天線尺寸。

為提高雙端口隔離度，該天線采用H形高隔離度口徑耦合形式。由于相互垂直的兩個H形開槽占有較大的面積，增加了天線尺寸，所以V端口采用H形開槽，H端口在H形槽的基礎(chǔ)上改進為電容加載H形槽，即將H形開槽兩臂彎折，因此增加開槽臂長度，提高端口隔離度。通過調(diào)整兩個饋電開槽和輻射貼片開槽的尺寸長度，可以改善輸入端口的阻抗特性，實現(xiàn)輻射貼片的寬頻諧振。

（a）

（b）

圖1 （a） 天線側(cè)視圖 （b） 俯視圖

3 結(jié)果及分析

本文利用Ansoft公司的HFSS軟件對分形口徑耦合雙極化天線進行電磁仿真計算，仿真調(diào)試天線尺寸為：上層介電常數(shù)εr1 ＝2.65，下層介電常數(shù)εr2 ＝ 4.4；介質(zhì)板大小W = 40 mm，厚度h = 1 mm；貼片尺寸pa = pb = 16.8 mm，H形槽結(jié)構(gòu)尺寸：xa = 7 mm，xb = 0.5 mm，xc = 6 mm，xd = 0.2 mm；加載H形槽尺寸：ya = 5 mm，yb = 0.8 mm，yc = 6 mm，yd = 0.2 mm，tc = 1 mm；饋線開路枝節(jié)尺寸：vt = 2 mm，ht =3.5 mm。

根據(jù)上述天線基本尺寸，加工了實物天線。如圖2（a）為天線側(cè)視圖，圖2（b）為二級Minkowski分形輻射貼片。

（a）

（b）

圖2 （a） 天線實物側(cè)視圖 （b） 分形輻射貼片

圖3為兩端口駐波的仿真與測試結(jié)果。由圖3可知，仿真得到端口H駐波小于2的頻率范圍為4.38 GHz ~ 5.168 GHz，相對阻抗帶寬為16.8 %，端口V駐波小于2的頻率范圍為4.27 GHz ~ 5.203 GHz，相對阻抗帶寬為19.7 %；實測得到端口H和端口V的相對阻抗帶寬分別為17.6 %、20.5 %。說明仿真和測試結(jié)果基本吻合，但測試曲線略有偏移，這是由于介電常數(shù)分布的不均勻性和測試誤差造成的。

圖3 天線雙端口VSWR仿真與測試圖

天線端口隔離度的仿真和測試結(jié)果如圖4所示，在工作頻率范圍內(nèi)，雙端口隔離度仿真結(jié)果為S21 ≤ -31.5 dB，測試結(jié)果為S21 ≤ -35 dB，說明兩端口具有較高的隔離度，可以實現(xiàn)收發(fā)隔離的工程要求。

圖4 天線隔離度S

圖5表示天線增益的實測結(jié)果，可見，在工作頻帶內(nèi)天線增益均大于8 dB，滿足方向回溯陣單元對增益的要求。

圖5 天線增益

圖6為f = 4.7 GHz時仿真和測量得到的方向圖。比較仿真和測試結(jié)果可知，兩端口測得的E面、H面方向圖曲線與仿真曲線吻合較好，天線前后比大于20 dB。但是端口V實際測量得到的H面曲線出現(xiàn)了一些波紋，這是由于測試環(huán)境和測試條件的影響所致。

（a）

（b）

圖6 （a）端口H仿真和測試方向圖

（b）端口V仿真和測試方向圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種方向回溯天線陣列單元，采用口徑耦合雙極化天線，利用二級Minkowski分形輻射貼片減小了天線尺寸，改進H形耦合槽為電容加載H形槽，提高了兩端口隔離度。實測結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，實測表明，該天線端口H、端口V的阻抗帶寬分別為17.6 %、20.5 %。天線增益達到8 dB以上，前后比大于20 dB，兩極化端口隔離度大于35 dB。該天線可用作方向回溯天線陣單元，實現(xiàn)收發(fā)隔離，減少方向回溯天線陣元數(shù)目，為進一步方向回溯天線陣的研究奠定基礎(chǔ)。