圆极化微带天线在无线应用中的应用

圆极化微带天线在无线应用中的应用

1圆极化天线的应用为了满足现代电磁学的发展和无线应用的许多需求，天线技术已经开发了100多年。微带天线作为一维小型化天线,以其低轮廓、可共形、易集成等颇具特色的优点近年来在天线开发应用中独占鳌头。而高性能圆极化微带天线在当前的应用愈加广泛。圆极化天线的实用意义主要体现在:1.圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到,故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线;2.在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性;3.圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转,因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。2天线的基本电参数微带天线圆极化方法大致分为三类,见表1。图1列出部分实现圆极化的基本方式,分别为:(a)切角(truncatedcorners);(b)准方形,近圆形,近等边三角形;(c)表面开槽(slots/slits);(d)带有调谐枝节(tuning-stub);(e)正交双馈,曲线微带型,行波阵圆极化节。圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比。轴比不大于3dB的带宽,定义为天线的圆极化带宽。轴比将决定天线的极化效率。表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出。任一圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等幅线极化波,由此得到实现圆极化天线的基本原理:产生两个空间正交的线极化电场分量并使二者振幅相等(即简并模),相位差90o。尽管圆极化天线形式各异,但产生机理万变不离其宗。反映在史密斯圆图中,两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出现一个尖端(cusp)。对天线性能的理论分析,除基于空腔模型的传统方法外,矩量法(MoM)和时域有限差分法(FDTD)两种数值方法成为主流。快速多极子算法和遗传算法、神经网络的引入加速了天线的优化。各种商用软件的开发使复杂天线的设计变得简单。当前圆极化微带天线的发展已不只是要求实现圆极化工作和保证带宽,而且要求小型化和双频段甚至多频段。3新的圆形极化微带的天线3.1天线的结构与特点在贴片表面开槽或细缝时,切断了原先的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,贴片等效尺寸相对增加,谐振频率降低,可使天线小型化。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90o的极化简并模,还可形成圆极化辐射或双频工作。在方形贴片正交方向分别开长度不等的两对槽,并沿贴片对角线馈电,可形成圆极化辐射,其缺点是圆极化的实现依赖于两对槽长度的细微差异,对制造公差要求苛刻。在常规圆极化微带天线表面引入十字型槽能使天线小型化,但当尺寸减小20%以上时,由于贴片中心开槽、馈点接近中心而无法用探针馈电。图2结构改进了上述天线。随槽的长度增加,实现圆极化所需的切角(peripheralcuts)变大(分别示为dr、dl),公差要求降低;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获得良好匹配。相对于参考天线,两天线尺寸分别减小50%,36%,但带宽(均为0.8%)、增益都明显下降。另一方面,切角的加大会给频率的调谐带来负面影响。图3所示天线,表面开槽使尺寸减小52.4%,但带宽不足1%。三角形贴片具有在固定频率的物理尺寸较矩形、圆形小的特点。类似地,可在等边三角形贴片表面开长度不等的十字型槽或引入激励槽线(spurlines)以产生圆极化辐射。文献在贴片周边开四个T型或Y型槽,利用TM10和TM30模实现双频工作。天线(a)谐振在1531MHz和3038MHz,带宽分别为0.91%、1.05%,双频比1.984,尺寸减小36%;天线(b)谐振在1632MHz和2882MHz,带宽分别为1.10%、1.04%,双频比1.766。这类天线的特点是:1.随槽的长度增加,天线谐振频率降低,天线尺寸减小。2.天线尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化,其中带宽与增益尤为明显,而方向图影响不大,因此开槽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。其它形状天线可类比。3.圆极化带宽一般不足1%,这是其主要缺点。由于带宽窄,导致谐振频率和圆极化性能的调谐困难,制造公差要求高。4.馈点往贴片中心移动,输入电阻随之降低,电抗基本不变,谐振频率略有浮动(<1.2%)。若在贴片中心开槽,可能会受阻抗匹配的限制。5.结构简单,成本低廉,加工方便。可见,在贴片表面开槽,能使天线小型化,并实现双频工作或圆极化辐射,但随之而来的增益和带宽的降低限制了其应用。3.2天线的小径度耦合口径耦合馈电的微带天线,交叉极化电平低,易获得宽频带匹配,适于圆极化设计及制作阵列。这些优点导致此类天线近年来倍受青睐。口径耦合微带天线可采用图1中的各种贴片单元实现圆极化,且同样可在贴片表面开槽以减小尺寸。耦合槽在缝隙耦合天线中扮演重要角色,它决定电磁能量耦合的强弱,常用的有直线槽、十字槽(图4)。文献中采用长度相等的十字槽将电磁能量耦合至准方形贴片,使用低介电常数基片展宽频带,得到SWR带宽(<1.5)为13.7%,圆极化带宽达2.5%。文献采用方形贴片,靠长度不等的十字槽(长度比为1.29)实现圆极化,基片使用常规材料(介电常数4.4)获得圆极化带宽1.43%,增益变化小于1.5dB。图5为另一种耦合槽,天线依靠耦合槽长度的差异(Sx≠Sy)实现圆极化辐射,圆极化带宽为1.83%,贴片上的十字槽使尺寸减小22%。口径耦合的圆极化微带天线的特点是:1.无需焊点,用于阻抗匹配的可调参数多,馈电可用空间大,允许制作复杂馈线网络。2.贴片与馈线所在基片的分离使其可分别采用不同材料,易获得宽频带。3.其辐射部分与馈线部分借接地板隔开,馈线的寄生辐射弱,天线的交叉极化电平低,辐射方向图对称,从而保证较好的圆极化特性。需注意的是,增加基片厚度展宽频带时,要加大槽的尺寸以获得阻抗匹配,这将导致后向辐射电平升高,因此设计耦合槽时应考虑耦合量与前后向辐射比间的关系。3.3元圆极化天线共面波导(CPW)易实现与有源或无源器件的并联或串联,可增加电路设计的灵活性。近年来,共面波导馈电的微带天线(CPWFA)另辟蹊径,非常适合制作有源天线及天线阵。共面波导馈电的圆极化微带天线一种形式如图6(a),CPW导体带与辐射单元共面。该天线由两个辐射元产生圆极化所需的正交电场,可视为二元圆极化天线。这种天线的结构紧凑,但馈线存在寄生辐射。另一种形式如图6(b)所示,CPW导体带、接地板与微带贴片分别位于介质板两侧,电磁能量通过激励槽耦合至贴片,消除了馈线的寄生辐射。弧形调谐枝节在贴片x方向突出,使所激励的x向表面电流加长,而y向电流基本无影响,由此激励起极化简并模产生圆极化辐射。馈线末端的四分之一波长枝节用于阻抗匹配。为减小尺寸,弧形枝节平行于贴片边界,而阻抗调谐枝节嵌入CPW传输线。实测得天线谐振于2490MHz,阻抗带宽约4.3%,圆极化带宽为1.36%。一般地,随激励槽长度增加,天线谐振频率降低,前后向辐射比变差。已有各种类型的激励槽提出。文献从天线前后向辐射比的角度比较了容性、感性耦合槽及环形槽的性能。虽然共面波导馈电的微带天线具有易与元器件集成的独特优点,但目前CPW馈电的圆极化有源微带天线及天线阵,还鲜有报道。3.4切片电阻在方形贴片中心线上加载短路探针并沿对角线馈电,可以实现圆极化。但这类天线,同其它引入几何微扰的单馈点圆极化微带天线一样,频带很窄,制造精度要求高。若将短路探针替换为加载切片电阻,依靠类似原理仍能获得圆极化,且频带展宽。如图7(a)所示,适当选取两切片电阻的间距及其它参数,天线谐振频率略高于未加载情况(与加载短路探针同),阻抗带宽为6.8%,圆极化带宽为1.83%,增益稍低于加载短路探针情况。文献在此基础上,将切片电阻改为正交放置(图7(b)),通过调整Sx、Sy降低了天线的品质因数,圆极化带宽提高到2.82%,但增益下降了1.9dBm。进一步在此贴片四周开长度不等的两对槽,在圆极化带宽保持2.28%的同时还可使尺寸减小30%。3.5采用电容耦合方式的圆形微带文献为采用等长十字槽及方形贴片的口径耦合天线,但使用多馈方法实现圆极化。串馈形式的阻抗带宽与圆极化带宽均为15%,增益大于7dB;并馈方式的阻抗带宽为22%,圆极化带宽(AR<2dB)为25%。宽频带的获得可解释为:缝隙相当于另一谐振器,与贴片一起类似于使用谐振频率稍有差异的两个贴片的双层宽频带结构。图8中微带馈线通过两个正交放置的H形缝隙激励方形贴片,经合理设计得到缝隙间端口隔离度为40dB,天线阻抗带宽(VSWR<2)为54.7%,圆极化带宽达20.8%,3dB波束宽度为32～34o。与上述两种耦合方式不同,文献采用电容耦合方式馈电圆形贴片(图9),调整电容板(capacitor-plate)的尺寸和距贴片基板的间隙S可使阻抗匹配,设计得阻抗带宽(VSWR<2)为49%,圆极化带宽达35%,增益带宽(在圆极化带宽内增益起伏小于1dB)为28%,增益约7.0dBi。但加工较复杂。这种双馈类型天线具备电磁耦合馈电的优点,寄生辐射小,交叉极化电平低,频带宽,同时充分利用了馈线可用空间大的特点安置双馈网络,使频带进一步扩展。但要额外附加功分器等元件,必须精心设计馈线网络以保证圆极化性能。3.6提高性能及保证多元组合的圆极化微带天线也能获得较好的频带、增益特性,同时可附加其它措施进一步提高性能,如加载短路探针减小尺寸。上面内容侧重单元天线圆极化方法,未涉及天线阵。除此之外,还有为数众多、形式迥异的圆极化微带天线,包括采用特殊形状、微带缝隙天线以及一些专门用途的圆极化微带天线等。4圆极化微带的发展趋势4.1微带天线的应用微电子技术与大规模集成电路的迅猛发展,使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题变得突出,对能与设备大小协调且具有效电性能的小天线的需求愈加迫切。微带天线小型化方法繁多,但都各有优缺。当前应用于圆极化天线的小型化方法多采用表面开槽,其特点如前所述,突出问题是频带窄,增益小,效率低。新材料的应用也颇受重视,如光电子带隙(PGB)、高温超导(HTS)及有机磁性材料等。须指出,天线尺寸的缩减往往以性能为代价。4.2抗带宽的获得微带天线属一维小型化谐振式天线,Q值高,频带窄。近年来出现的U型槽贴片和双层贴片无论在探针或槽孔耦合的馈电方式下都获得高达40%的阻抗带宽。由于圆极化带宽一般大大低于阻抗带宽,常规圆极化微带天线轴比带宽不足1%,所以制约圆极化天线频带的因素会转化为极化特性和增益。4.3双频/双极化微带天线无线通信的飞速发展使得在雷达、通信和定位系统等领域都迫切需要双频/双极化微带天线,以实现频率复用、收发双工和天线共用。目前双频天线的主要实现目标是获得可控双频比的双宽频带特性