新型双组分双模式双控式蘑菇阵列的辐射特性研究

新型双组分双模式双控式蘑菇阵列的辐射特性研究

零阶谐振天线随着科学技术的快速发展，人们对通信系统的要求也越来越高。天线作为发射和接收电磁波的设备,处于无线通信和探测系统的最前端,其性能对整个系统具有非常重要的影响。微带天线以其低轮廓、可共形、易集成等颇具特色的优点近年来在小型化天线开发应用中独占鳌头;而基于复合左右手传输线(compositeright/lefttransmissionline,CRLHTL)的零阶谐振天线(Zeroth-orderResonantAntenna)由于具有剖面低、尺寸小、可以实现全向辐射的特点,同样也引起了研究人员的广泛关注。蘑菇形结构是一种常见的微带结构的零阶谐振器。由于零阶谐振器的谐振频率和谐振腔的物理长度之间没有绝对依赖关系,因此从理论上说,尺寸可以做到无限小。文献研究了零阶谐振天线,这类天线结构具有类似单极子天线的辐射方向图,同时保持了微带天线的低剖面特性。本文针对传统蘑菇阵列由于馈电点偏离阵列几何中心导致的交叉极化增大及方向图不对称等问题设计了一款新型蘑菇形小型化全向天线,所设计的天线工作于2.27GHz,天线单元结构尺寸为0.15λ0×0.15λ0×0.01λ0,在方位面实现了全向辐射,同时保持了微带天线的重量轻、体积小、低剖面的特性。1采用金属片和核区中心组阵方式图1(a)给出了传统的蘑菇型谐振结构,它由一个矩形的金属贴片通过一个金属化过孔连接到地面构成,但其不能单独实现天线辐射功能。N×N个蘑菇阵列仍然是一个零阶谐振结构,如图1(b)所示,左手电容效应由相邻金属片间的耦合提供,左手电感效应由接地的金属柱提供,右手电容效应由金属片和地板之间的耦合提供,右手电感效应由金属片上的电流提供。这种组阵方式由于馈电点的偏移会导致距离辐射贴片中心相同点的表面电场方向虽然相同,但是大小有差别,这就导致在远场上合成的方向图不对称,交叉极化也因此增大。图2(a)为本文所设计的蘑菇型零阶谐振器单元结构图,仿真结果表明该结构可实现天线辐射特性,且具有和传统零阶谐振结构相类似的辐射特性,但同样由于上述原因存在方向图不对称和交叉极化大的缺点;图2(b)为其阵列形式,这种组阵方式避免了传统蘑菇阵列由于馈电点偏离天线中心而导致的上述问题。通过分析可以很容易得到新型蘑菇阵列天线的等效电路图,如图2(c)所示。新型蘑菇结构采用同轴线方式馈电,中心的金属贴片通过缝隙耦合与四个正方形金属贴片相联。左手电容效应由金属片间的耦合提供,左手电感效应由接地的金属柱提供,右手电容效应由金属片和地板之间的电压梯度提供,右手电感效应由沿贴片方向流动的电流产生。2零阶谐振天线的仿真下面分析新型蘑菇结构零阶谐振天线的辐射特性。天线结构如图2(b)所示。采用相对介电常数为2.2、厚度为0.8mm的RogersRT/duroid5880介质板,损耗角正切0.0009,贴片总长度l1为40mm,耦合缝隙宽度w1为0.55mm、l2为1.1mm,中心十字形线宽w2为2.5mm,单个正方形贴片长度为17.75mm,金属柱位于贴片对角线上,距x、y方向耦合缝隙的距离均为a。图3给出了天线阵列顶层贴片的电场分布仿真结果图。根据CRLHTL谐振腔理论,当谐振腔处于零阶谐振时,谐振频率和腔的物理长度之间没有绝对的依赖关系,β0=0,波长λg=∞,即波长为无穷大,此时谐振腔内各处的场强相等,且均以相同的频率变化,没有波峰、波谷和波节。图4则给出了地板上的电流分布仿真结果图,在零阶谐振模式下,零阶谐振天线阵列上的电流分布总的来看由中心指向边沿,呈放射状分布。由天线中心出发的径向电流的辐射可以看作是电偶极子天线的辐射,与理论分析结果一致。为研究该新型蘑菇结构的物理参数与其辐射特性的关系,通过改变某一参数值而固定其他参数,使用HFSS进行软件仿真。在此,仅选择与辐射性能变化幅度较大的两个参数进行说明,仿真中其他参数设置与上同。r为介质板通孔的直径,a为通孔距x、y方向耦合缝隙的距离。保持其余参数不变,依次改变直径和距离的大小(r=0.2mm,0.4mm,0.6mm,0.8mm;a=3.5mm,4.5mm,5.5mm,6.5mm)得到新结构的回波损耗随r变化的曲线,如图5(a)和(b)所示。观察发现,随着直径变大,谐振频率逐渐向高频移动,随着距离增大,谐振频率也逐渐变大。图6给出了天线在零阶谐振频率处天线E面和H面归一化方向图的计算结果,从图中可以看出看出天线实现了方位面(H面)的全向辐射,同时在xoz和yoz面(E面)坐标方向图为“8”字形,具有类似偶极子天线的辐射方向图。由天线方向图的计算结果可知,与文献[11-12]中设计的蘑菇结构天线以及传统的蘑菇结构天线相比,新型零阶谐振天线具有更对称的方向图(前三者均偏离中心10°左右,而本文的则近似达到了0°)和更低的交叉极化度(文献交叉极化抑制度20dB,文献可以做到25dB,而本文则达到了35dB)。3天线性能测试通过三维电磁场仿真软件HFSS的优化设计,天线最终的尺寸为:l1=40mm,w2=2.5mm,w1=0.55mm,l2=1.1mm,a=4.5mm,4个金属化过孔的直径为0.6mm。为验证设计结果的正确性,对天线进行了实物加工和测试,图7为其加工实物图。图8给出了新型蘑菇阵列天线反射系数的仿真与实测结果,由图8可知,天线的零阶谐振频率为2.27GHz(中心频率),10dB回波损耗带宽达1.15%,比文献提高28.6%,实测结果带宽更宽;由图6所示中心频率的天线方向图可知,天线在xoy面(方位面)实现了全向辐射,方位面的不圆度小于0.15dB,比文献降低0.08dB,同时,在xoz面和yoz面(俯仰面)具有类似偶极子天线的辐射方向图。在中心频率2.27GHz处,天线最大增益为1.44dB。由图7所示的天线实物图可知,单元结构的尺寸为0.15λ0×0.15λ0×0.01λ0,阵列结构尺寸为0.3λ0×0.3λ0×0.01λ0。与传统谐振天线相比,单元结构即可实现天线辐射性能,简化了传统蘑菇结构必须组阵设计的复杂度,且所设计天线实