傅世强,刘 璐,房少军

(大连海事大学 信息科学技术学院,辽宁 大连 116026)

微带天线因具有体积小、质量轻、成本低、易集成、结构牢固和工艺简单等优点[1]得到了广泛研究,而圆极化微带天线更是具备抗法拉第旋转效应和抗多径反射能力,同时因对极化不敏感具有很好的移动性,被大量应用于卫星通信、卫星定位、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)和无线能量传输系统等多个领域。

微带天线实现圆极化工作的方法主要包括单馈电法和多馈电法。传统单馈微带天线通过几何微扰形成圆极化,带宽较窄。为此,诸多学者对带宽展宽技术进行了研究,比如在单层贴片四周附加寄生贴片并结合电容耦合单馈电技术共同展宽阻抗带宽[2],通过贴片上切割缝隙并改进L 型地板结构增加圆极化带宽[3],采用叠层贴片方式改善阻抗匹配和轴比性能[4-5]等。单馈电法实现圆极化主要靠模式分离,因此圆极化性能对几何尺寸较敏感。采用多馈电法可以显著改善微带天线的圆极化性能。文献[6-7]均采用双馈电技术,利用一分二T 型功分馈电网络激励天线实现圆极化,但双馈电的不对称性势必会使天线辐射方向图不对称。文献[8-9]则提出了一种增加方向图对称性的三馈电圆极化微带天线,由于120°相位差的微带线馈网带宽较窄,从而导致天线的轴比带宽无法实现很宽;文献[10]采用四馈电技术在带宽展宽、辐射方向图对称上均取得了较好的效果,但存在Wilkinson 馈电网络结构复杂、尺寸大等问题。而文献[11-12]简化了馈电网络,均使用顺序旋转四馈电的一分四90°功分移相网络,通过探针给天线馈电,实现了覆盖超高频RFID 全球通用频段,但馈电网络与天线需要独立设计,且探针馈电加工麻烦。

通过调研发现,顺序旋转四馈电网络一般用于阵列天线设计[13-15],尚未在其他文章中出现过四馈电网络与激励贴片共面的单元天线结构。所以综合考虑工艺复杂性和天线性能,本文提出了一款应用于超高频RFID 频段读写器终端的贴片和馈网一体化设计的圆极化微带天线。该天线综合采用多项技术来提高阻抗匹配和改善辐射性能:利用叠层贴片双峰谐振展宽阻抗带宽,并在激励贴片中心开圆孔以进一步调谐天线的阻抗特性;将地板四周折叠,在缩小尺寸的同时减小后向辐射、增加前向增益;通过一分四顺序旋转等功分270°移相网络对天线共面馈电形成右旋圆极化。对该天线进行了软件仿真优化和实物加工测试,取得了较好的实验结果,验证了方案的可行性。

1 天线结构设计

1.1 单元天线设计

天线主要由激励贴片、寄生贴片、折叠地板和馈电网络组成,结构如图1 所示。下层激励贴片边长为L1,蚀刻在相对介电常数εr为2.65、厚度H1为1.5 mm 的F4B 微波材料板上;上层寄生贴片边长为L2,采用空气介质并用尼龙柱做支撑,空气层厚度为H2。两正方形贴片堆叠,形成双峰谐振,展宽阻抗带宽,同时激励贴片中心开半径为r1的圆形孔,进一步辅助调谐天线的阻抗特性。天线地板采用四周折叠结构,折叠高度为H3,在不牺牲增益的前提下可减小地板横向尺寸G。为了实现馈网与激励贴片共面设计,传统顺序旋转90°相移线的网络无法与激励贴片集成,根据半波长重复理论改进为270°线长则可满足设计要求,最终实现右旋圆极化。

图1 天线结构示意图Fig.1 Schematic diagram of antenna structure

根据叠层微带天线计算公式(1)～(4)估算贴片初始尺寸L1和L2,以此调谐天线阻抗。

式中:hei、εei分别为介质层有效厚度和等效介电常数;c为自由空间中的光速;fi为双层贴片对应的谐振频率,i=1,2。

激励贴片边长L1主要调谐低频阻抗,寄生贴片边长L2调谐高频阻抗,二者形成双峰谐振;空气层厚度H2调谐两层贴片的耦合使双峰均衡并靠近,形成宽阻抗带宽。为了保证阻抗虚部平坦,进一步调谐阻抗的实部,此时在激励贴片中心挖掉一个半径r1的圆孔,通过增加r1尺寸并配合微调L1、L2、H2以增加实部阻抗的大小,如图2 所示。传统天线在地板不够大的情况下,向下辐射的大量电磁波没有被地板反射,导致天线前后比较差,此时采用折叠地板结构进行改善。折叠地板高度H3主要影响天线的前后比,仿真与分析发现H3比寄生贴片高约5 mm,结果较好,此时前后比为14 dB。若达到相同前后比的条件下,传统地板的横向尺寸G是折叠地板结构的1.36 倍,因此折叠地板结构更紧凑。

图2 有无圆孔结构的各端口无源输入阻抗曲线Fig.2 The passive input impedance curves of each port with or without round hole structure

1.2 馈电网络结构设计

四馈电同时激励时,受端口之间的互耦影响,各端口的有源输入阻抗与无源输入阻抗不同。考虑到实际情况,四个端口同时激励应参考有源阻抗进行后续馈电网络设计,此时仿真得到端口有源阻抗值100 Ω。顺序旋转馈电网络结构如图3 所示,输入端口1 阻抗为系统阻抗50 Ω,根据传输线阻抗匹配理论,按照一分四的功率分配设计各段传输线阻抗,能量依次经过270°传输线被平均分配到端口2～5 四个输出端口。各输出端口等功率输出,相位依次滞后270°,即0°,-270°,-540°,-810°。根据相位周期性变化的特性,将相位依次转换为0°,+90°,+180°,+270°,激励天线产生右旋圆极化波。

图3 顺序旋转四馈电等功分270°移相网络Fig.3 Sequentially rotating quad-feed network of equal power-dividing and 270° phase-shifting

分析发现馈电网络高、低阻抗差别较大,则带来线的粗细分布不均,为此进行改进。将每段270°微带线转换为三段90°微带线,阻抗33.3 Ω 微带线变换成57.7,100,57.7 Ω 的三段90°微带线,如图4 所示,同样,阻抗50 Ω 微带线变换为70.7,100,70.7 Ω 的三段90°微带线。经仿真验证,虽然变换后的三段式网络阻抗带宽较一段270°网络的阻抗带宽略窄,网络变换前后对天线工作带宽影响可忽略,但是三段式网络的线宽布局更合理。

图4 三段式阻抗变换结构示意图Fig.4 Schematic diagram of three-stage impedance transformation

图5 给出了网络各输出端口幅度和相位差的仿真结果。在840～960 MHz 频段内四个端口的输出幅度平坦且均在-6 dB,实现了输入功率四等分,同时该频段内S11<-25 dB,表明网络输入阻抗匹配良好;915 MHz 中心频率处相邻输出端口相位依次相差90°。

图5 馈电网络各端口幅度和相位差仿真曲线。(a)幅度;(b)相位Fig.5 The simulated results of amplitude and phase difference of each port in the feed network.(a) Amplitude;(b) Phase

2 天线仿真与实测

将天线与网络集成后,采用三维电磁场仿真软件HFSS 进行天线的建模和仿真。通过大量优化得到天线最佳尺寸:L1=81.8 mm,L2=129 mm,G=187.8 mm,H1=1.5 mm,H2=16.2 mm,H3=23 mm,r1=19.8 mm。根据最佳尺寸加工制作天线,仿真模型如图6(a)所示,天线实物如图6(b)所示。

图6 天线仿真模型及实物。(a)仿真模型;(b)天线实物Fig.6 Antenna simulation model and prototype.(a) Simulation model;(b) Antenna prototype

使用Agilent N5230A 矢量网络分析仪对天线的S参数进行测试,在微波暗室中对天线的辐射特性进行测量,并与仿真结果作对比。图7 给出了仿真与实测的S11曲线,由图可知仿真与实测结果基本吻合,受加工误差影响实测曲线在880～965 MHz 的频率范围内S11<-10 dB,相对带宽为9.3%。顶点轴比和增益随频率变化曲线如图8 所示,实测轴比小于3 dB 的频率范围为895～946 MHz,相对带宽为5.6%;在圆极化性能满足要求的频率范围内,实测增益均在8 dB 以上。实测天线中心频率915 MHz 处辐射方向性图如图9 所示,在主方向上圆极化性能良好,增益达到8.3 dB,交叉极化鉴别率为19.3 dB。

图7 仿真和实测的S11曲线Fig.7 Simulated and measured S11 curves

图8 顶点增益与轴比随频率变化仿真和实测曲线Fig.8 Simulated and measured curves of gain and axial ratio varying with frequency

图9 中心频率915 MHz 处仿真和实测辐射方向性图Fig.9 Simulated and measured radiation pattern at a central frequency of 915 MHz

3 结论

本文提出了一款顺序旋转四馈电的右旋圆极化叠层微带单元天线,将馈电网络与天线集成一体化设计,并折叠地板以保证天线增益不变的情况下,缩小了天线体积。根据三维电磁仿真软件HFSS 仿真优化得到的最佳尺寸,加工实物并测试。测试结果表明,该天线在884～969 MHz 频段内S11<-10 dB,在895～946 MHz 频段内轴比小于3 dB;在该频段内天线方向性良好,实测天线增益大于8 dB,仿真与实测结果基本一致。该天线结构紧凑且加工简易,已成功应用于超高频RFID 读写器终端。也可根据使用频率改变尺寸应用于其他场合,如需要圆极化天线的卫星通信系统中。