程 静,刘聪聪,郭 华

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121)

随着卫星通信技术在军民融合领域等方面的快速发展,圆极化天线因为具有能够抑制多径干扰和有效减少极化失配等优势而被广泛应用于全球定位系统和无线通信系统等领域中[1-3]。为了在工程实际中满足卫星通信系统对于圆极化天线宽频带和宽波束的要求,设计一款能够覆盖全球卫星导航系统L频段的宽带宽波束圆极化交叉偶极子天线就显得尤其有意义[4]。

当圆极化天线拥有较宽的半功率波束宽度(Half-Power Beamwidth,HPBW)时,可以实现足够大的低仰角增益[5-6]。一般情况下,普通的微带天线或交叉偶极子天线的半功率波束宽度为90°左右[7-8]。展宽交叉偶极子天线的半功率波束宽度可以扩大天线的覆盖范围,增加低仰角增益,提高卫星通信质量。

经典的螺旋天线可以实现展宽波束宽度的效果,但是,其加工过程复杂且剖面过高[9-11]。通常情况下,提升波束宽度有两类常用的方法。一类方法是,通过在天线周围加载寄生单元的方式来提高半功率波束的宽度。例如,通过在天线辐射贴片的正上方放置一个圆形的寄生金属环,可以获得140°的3 dB波束宽度[12];通过在一个圆形贴片周围加载4个垂直的金属柱体[13],可以使天线达到164°的3 dB波束宽度[14]。另一类常见的方法是,采用加载金属腔的方式来扩展天线的半功率波束宽度[15]。例如,通过采用圆形偶极子辐射单元和带有波纹状的背腔,可以使天线达到150°的3 dB波束宽度[16]。虽然上述天线设计方案均可以获得较宽的半功率波束宽度,但是,以上设计得到的天线的圆极化带宽都相对较窄,如何让天线在较宽的频带范围内,实现较大的半功率波束宽度值得进一步研究。

根据已有的研究报道发现,通过在交叉偶极子辐射单元周围加载寄生单元的方式,可以增大天线的带宽和半功率波束宽度。为了让天线在较宽的频带范围内,实现较大的半功率波束宽度,本文拟设计一款覆盖卫星通信L频段的宽带宽波束圆极化交叉偶极子天线。在交叉偶极子辐射单元周围加载寄生单元,利用交叉偶极子辐射单元和寄生单元之间的临近耦合作用,引入垂直电流,以降低轴比值,优化轴比曲线,扩展天线的带宽和波束。

1 天线结构设计及原理

1.1 天线结构设计

所设计的天线主要组成部分包括蝶形交叉偶极子辐射单元、介质基板、寄生金属板、寄生介质板、金属地板以及同轴线。所设计的天线结构示意图如图1所示。

图1 天线结构示意图

如俯视图1(a)中所示,蝶形交叉偶极子辐射单元由两个梯形偶极子臂组成。其中,梯形偶极子臂的上底宽度为w0,下底的宽度为w1,高度为h0。两个蝶形偶极子辐射单元分别印刷在相对介电常数为3.66,损耗角正切值为0.004且厚度h1=0.508 mm的Rogers RO4350介质基板的上、下表面,介质基板的宽度为g,相邻的偶极子臂之间通过1/4波长的印刷圆环相连接,圆环的内径为r1,外径为r2。如侧视图1(b)所示,同轴线穿过底层的金属基板和上层的介质基板为交叉偶极子辐射单元馈电。从三维结构图1(c)可以看出,天线引入了4个垂直的寄生金属板,寄生金属板的高度为h,长度为w,4个垂直寄生金属板垂直位于厚度为h2的金属地板上,将其沿中心旋转后放置在交叉偶极子辐射单元的四周。两个寄生介质板的高度为h且宽度为w3,放置于垂直寄生金属板之间的空隙处,寄生金属板和寄生介质板的厚度w2均为2.1 mm,金属地板的宽度为L。通过交叉偶极子辐射单元和4个引入的垂直寄生金属板之间的临近耦合作用,能够扩展天线的圆极化带宽和半功率波束宽度,从而实现宽带宽波束的效果。

天线的整体尺寸为85.0 mm×85.0 mm×48.5 mm,天线尺寸参数如表1所示。

表1 天线尺寸参数

1.2 宽带宽波束产生原理

设计的天线通过加载寄生单元来拓宽天线的带宽。首先,在天线周围引入4 个垂直的寄生金属板,利用寄生金属板与交叉偶极子辐射单元之间的耦合作用,产生新的轴比通带,从而扩展天线的圆极化带宽。然后,通过引入两个垂直的寄生介质板,影响交叉偶极子天线的场分布情况。采用高频仿真软件 (High Frequency Structure Simulator,HFSS)对寄生介质板上的电场进行仿真,图2给出了寄生介质板上的电场分布情况。通过观察图2两块寄生介质板的电场分布发现,新引入的寄生介质板上存在交叉偶极子天线水平方向的电场分量Eφ,说明寄生介质板的引入能够改变天线远区的电场分量。通过改变寄生介质板的尺寸,使得交叉偶极子天线水平方向电场分量和垂直方向电场分量的幅值和相位尽可能相等,进而达到降低轴比值,优化轴比曲线,实现展宽天线圆极化带宽的设计目标。

图2 寄生介质板上的电场分布情况

为了对比不同寄生单元对天线轴比带宽的影响情况,采用高频仿真软件HFSS对天线的轴比特性进行仿真分析,图3给出了交叉偶极子天线仅加载寄生金属板以及同时加载寄生金属板和寄生介质板的轴比曲线对比情况。

图3 不同寄生单元下的天线轴比曲线

从图3可以看出,当天线周围加载寄生金属板时,天线产生了额外的轴比通带,但是,此时中间频点处的轴比值大于3 dB。当同时加载寄生金属板和寄生介质板时,引入的两个寄生介质板会影响交叉偶极子天线的场分布情况,从而将中间频段的轴比值降到3 dB以下,达到降低天线轴比值的效果,进而实现展宽天线圆极化带宽的设计目标。

采用高频仿真软件HFSS对交叉偶极子辐射单元进行仿真,交叉偶极子辐射单元在天线频率为1.575 GHz时电流分布如图4所示。图中的Jx为x轴方向上交叉偶极子臂上的电流,Jy为y轴方向上交叉偶极子臂上的电流,图4中x轴负方向和y轴负方向上的电流也统一表示为Jx和Jy,其中,J0°是当相位α为0°时x轴方向上的电流Jx和y轴方向上的电流Jy的叠加电流。从图4可以看出,在1/4波长的相位延迟线的作用下,交叉偶极子辐射单元在1.575 GHz时,从0°、90°、180°至270°的4个相位时刻,偶极子臂上叠加后的电流矢量J0°、J90°、J180°及J270°依次正交并呈逆时针方向旋转,验证了天线能够在上半空间辐射右旋圆极化波,说明了天线元件的右旋圆极化(Right Hand Circular Polarization,RHCP)辐射特性。

图4 天线频率为1.575 GHz处的电流分布

为了分析天线宽波束的形成原理,继续分析在1.575 GHz时寄生金属板上的电流分布情况。采用高频仿真软件HFSS对寄生金属板进行仿真,寄生金属板的电流分布仿真结果如图5所示。从图中可以看出,在垂直寄生金属板上主要存在沿z轴方向上的电流Jz。由于垂直电流Jz的存在,能够提供一个类似偶极子的辐射,当在交叉偶极子天线周围添加寄生金属板时,两者的辐射强度会相互叠加,从而使得交叉偶极子天线在低仰角处的增益增加,而在正上方的增益几乎不发生改变,使得天线的上半空间辐射方向图能够更加均匀,从而导致设计的圆极化交叉偶极子天线能够在较宽的频带范围内实现超过125°的半功率波束宽度,从而达到展宽波束宽度的效果。

图5 天线频率为1.575 GHz寄生金属板电流分布

2 天线参数仿真

2.1 寄生介质板宽度对天线轴比的影响

寄生介质板会影响交叉偶极子天线的场分布情况,从而降低天线轴比值,进而展宽天线的圆极化带宽。寄生介质板对天线轴比值影响的仿真结果如图6所示。从图中可以看出,当寄生介质板的宽度w3为30.4 mm时,天线中间频段的轴比值仍大于3 dB,轴比特性未得到好转。当w3增大至35.4 mm时,轴比曲线向下移动,轴比特性开始好转。当将寄生介质板的宽度w3增大到40.4 mm时,轴比值小于3 dB的圆极化带宽实现了展宽,轴比特性得到了较好地改善。

图6 寄生介质板宽度t对天线轴比的影响

2.2 寄生金属板高度h对S参数和轴比影响

图7是4个寄生金属板的高度h对所设计天线回波损耗S11影响情况的仿真结果。从图中可以看出,在相同频率的条件下,随着高度h的增加,天线的回波损耗变化不大,两个谐振点的偏移较小。

图7 寄生金属板高度h对天线回波损耗的影响

图8为不同寄生金属板的高度h对应的轴比变化情况的仿真结果。从图中可以看出,随着寄生金属板的高度h的增加,天线的轴比曲线向下偏移,圆极化性能得到好转。当高度h增加到46 mm时,高频处的轴比带宽增大,但是,继续增大高度h至48 mm时,高频点的轴比曲线向左偏移,天线的轴比带宽减少,圆极化性能恶化。综合寄生金属板高度h对天线散射参数以及轴比带宽的影响,当h的数值为46 mm时,天线的圆极化性能最好。

图8 寄生金属板高度h对天线轴比的影响

3 天线仿真结果

所设计天线的整体尺寸为85.0 mm×85.0 mm×48.5 mm,梯形偶极子臂的上底尺寸w0为2.5 mm,下底的尺寸w1为26.0 mm,上底到下底之间的高h0为31.1 mm,1/4波长的印刷圆环的内径r1为4.5 mm,外径r2为4.8 mm。上层介质基板的长度与宽度g均为80.0 mm,金属地板的长度与宽度L均为85.0 mm,金属地板的厚度h2为2.0 mm,寄生金属板宽度w为42.5 mm,寄生介质板的宽度w3为40.4 mm,寄生金属板和寄生介质板的高度h均为46.0 mm,寄生金属板和寄生介质板的厚度w2均为2.1 mm。采用高频仿真软件HFSS对天线进行建模仿真以及优化,下面给出天线的最终仿真结果。

所设计天线的回波损耗曲线的仿真结果如图9所示。由图中可以看出,天线的-10 dB阻抗带宽为1.39 GHz(0.82 GHz～2.21 GHz)。

图9 天线的回波损耗

图10为所设计天线的轴比曲线的仿真结果。从图10中可以看出,轴比(Axial Ratio,AR)值小于3 dB的带宽为1.24 GHz(1.15 GHz～2.39 GHz),说明所设计的交叉偶极子天线能够实现覆盖卫星通信的L频段。

图10 天线的轴比带宽

图11为所设计天线的增益曲线的仿真结果。从图中可以看出,所设计的天线在频率处于1 GHz～2 GHz带宽范围内增益变化值不超过2 dB,说明设计的天线具有相对平稳的增益特性。

图11 天线的增益曲线

天线偶极子所在平面为xoy平面,z轴垂直于xoy平面。分别仿真了所设计天线在xoz平面即φ=0°和天线在yoz平面即φ=90°这两个主平面的归一化增益曲线。图12为所设计天线在频率为1.227 GHz的归一化辐射方向图仿真结果。其中,GainLHCP为左旋圆极化增益,GainRHCP为右旋圆极化增益。从图中可以看出,天线在该频点处主极化右旋圆极化的最大增益为4.22 dBi,右旋圆极化的场分量比左旋圆极化的场分量大15 dB左右,表明所设计天线的主极化对交叉极化有着一定的抑制作用,右旋圆极化特性良好。

图12 天线在频率为1.227 GHz处的辐射方向图

分别仿真了所设计天线在xoz平面即φ=0°和天线在yoz平面即φ=90°这两个主平面的归一化增益曲线。图13为所提出天线在频率为1.575 GHz处的归一化辐射方向图的仿真结果。其中,GainLHCP为左旋圆极化增益,GainRHCP为右旋圆极化增益。从图中可以看出,天线在该频点处主极化右旋圆极化最大增益为3.22 dBi,该频点处的交叉极化水平都在-15 dB以下,表明天线的主极化对交叉极化有着一定的抑制作用,所设计天线的右旋圆极化特性良好。

图13 天线在频率为1.575 GHz处的辐射方向图

图14为所设计天线的半功率波束宽度变化曲线的仿真结果。从图中可以看出,在天线频率处于1.15 GHz～1.70 GHz频段范围内两个主平面的半功率波束宽度HPBW均大于125°,且随频率的增大呈上升趋势。因为设计需要,将偶极子臂的一端延伸与同轴馈线的内芯相连接,因此,其中一个偶极子臂比另一个偶极子臂长。由于天线结构的不对称性,导致天线的方向图也不对称,故随着频率的增加两个主平面的半功率波束宽度HPBW并未保持一致。

图14 天线的半功率波束宽度变化曲线

天线频率在1.227 GHz和1.575 GHz时的轴比波束图的仿真结果如图15所示。其中,θ为天线仰角的余度。从图中可以看出,在1.227 GHz和1.575 GHz这两个频点处,设计的天线在xoz平面上即φ=0°时,AR小于3 dB的轴比波束宽度分别为180°和212°。天线在yoz平面上即φ=90°时,AR小于3 dB的轴比波束宽度分别为181°和195°。从3 dB轴比波束的宽度可以看出,所设计天线的圆极化特性良好。

图15 天线的轴比波束图

4 结语

通过加载垂直寄生单元,利用交叉偶极子辐射单元与寄生单元之间的临近耦合及寄生单元上存在的垂直电流,产生新的轴比通带且增加了天线的低仰角增益,从而实现了宽带宽波束的效果。仿真结果表明,所设计的天线获得了1.39 GHz (0.82 GHz～2.21 GHz)的阻抗带宽和1.24 GHz(1.15 GHz～2.39 GHz)的轴比带宽,同时,天线能在1.15 GHz～1.7 GHz频段范围内实现超过125°的半功率波束宽度,圆极化性能良好,能够较好地应用于L频段卫星通信系统中。