一种寄生阵列宽带圆极化天线的设计_陆畅.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 5 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 5 5 5 5);山西省重点研发项目(国际合作)(N o.2 0 1 8 0 3 D 4 2 1 0 4 3);国家自然科学基金创新群体资助项目(5 1 8 2 1 0 0 3);山西省基础研究计划资助项目(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 3 0 7 4)作者简介:陆畅(1 9 9 3-),男,湖北省赤壁市人,硕士生,主要从事射频天线研究。通信作者:张斌珍,山西省太原市人,博士生导师,主要从事射频微波器件的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 1 3 0-0 4D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 2 4一种寄生阵列宽带圆极化天线的设计陆 畅,陈沁文,常 睿,段俊萍,张斌珍(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原0 3 0 0 5 1)摘 要:该文设计了一款C波段单馈寄生阵列的宽带圆极化天线。此天线采用紧邻的双层F 4 B介质基板,通过在方形驱动贴片上开槽及采用寄生阵列的设计实现了圆极化。对天线结构的设计步骤进行说明,研究了各结构对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响,并研究了寄生贴片切角长度和驱动贴片上的缝隙宽度对天线轴比和带宽的影响。对天线的圆极化方向图进行了仿真。仿真结果表明,在5.5GH z时实现了右旋圆极化,最大增益为8.1d B i。加工并测试了宽带圆极化天线,测试结果与仿真结果基本相符,天线实测的阻抗带宽为1.3GH z,轴比带宽为1.2 6GH z。设计的叠层天线具有结构紧凑,装配简单和轴比带宽大的优点。关键词:圆极化天线;C波段;单馈圆极化;寄生阵列;叠层天线中图分类号:T N 3 8 4;T N 8 2 文献标志码:A D e s i g no faB r o a d b a n dC i r c u l a r l yP o l a r i z e dA n t e n n aw i t hP a r a s i t i cA r r a yL UC h a n g,C H E NQ i n w e n,C H A N GR u i,D U A NJ u n p i n g,Z H A N GB i n z h e n(M i n i s t r yo fE d u c a t i o nK e yL a b o r a t o r yo f I n s t r u m e n t a t i o nS c i e n c e&D y n a m i cM e a s u r e m e n t,N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a,T a i y u a n0 3 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t:Ab r o a d b a n dc i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n aw i t hC-b a n ds i n g l e-f e dp a r a s i t i ca r r a y i sd e s i g n e d i nt h i sp a-p e r.T h ea n t e n n aa d o p t s t h ea d j a c e n td o u b l e-l a y e rF 4 Bd i e l e c t r i cs u b s t r a t e,a n dt h ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o ni sr e a l i z e db ys l o t t i n go nt h es q u a r ed r i v ep a t c ha n da d o p t i n gt h ed e s i g no fp a r a s i t i ca r r a y.T h ed e s i g ns t e p so ft h ea n t e n n as t r u c t u r ea r ed e s c r i b e d,a n dt h ee f f e c t so f e a c hs t r u c t u r eo nt h ea n t e n n a i m p e d a n c eb a n d w i d t ha n da x i a l r a t i ob a n d-w i d t ha r es t u d i e d.T h ee f f e c t so f t h ep a r a s i t i cp a t c ht a n g e n t l e n g t ha n d t h e s l o tw i d t h i nt h ed r i v ep a t c ho n t h ea x i a lr a t i oa n db a n d w i d t ho f t h ea n t e n n aa r ea l s o i n v e s t i g a t e d.T h ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o np a t t e r no f t h ea n t e n n a i ss i m u l a-t e d.T h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a t t h ea n t e n n ah a sar i g h t-h a n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n i sa c h i e v e da t 5.5GH zw i t ham a x i m u mg a i no f 8.1d B i.T h eb r o a d b a n dc i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n aw a s f a b r i c a t e da n dt e s t e d,a n dt h et e s t r e-s u l t sw e r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s.T h em e a s u r e di m p e d a n c eb a n d w i d t ho f t h ea n t e n n aw a s1.3GH z,a n dt h ea x i a l r a t i ob a n d w i d t hw a s1.2 6GH z.T h ed e s i g n e ds t a c k e da n t e n n ah a st h ea d v a n t a g e so fc o m-p a c t s t r u c t u r e,s i m p l ea s s e m b l ya n d l a r g ea x i a l r a t i ob a n d w i d t h.K e yw o r d s:c i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n a;C-b a n d;s i n g l e-f e dc i r c u l a r l yp o l a r i z e d;p a r a s i t i c a r r a y;s t a c k e da n t e n n a 0 引言圆极化天线可接受任意极化方式的来波,尤其适用于复杂环境,目前已用于卫星通信、全球定位系统和射频识别等领域1-3。在产生圆极化辐射的常用天线中,微带天线因具有成本低,质量小和易集成等优点而被广泛应用4-5。近年来,为了满足高速信息传输的需求,宽轴比带宽的微带圆极化天线设计成为研究热点之一6-7,对阻抗带宽的一致性和稳定性也有了更高的要求。在传统的微带圆极化天线设计中,使用等幅度、相位差为9 0 的两个馈电端口实现天线圆极化,天线馈电结构复杂8。单馈结构降低了天线馈电的复杂度,但存在天线带宽小的问题9,故常与叠层天线技术结合以获取更大的带宽。2 0 1 7年,Y a n gW e n-w e n等采用2 7 0 弧形回路方环结构,结合空气介质层和方形寄生 阵列实现 了右旋 圆 极 化 天 线 的 设计1 0,天 线 总 增 益 可 达8.4d B i。2 0 1 9年,M a h-b o u b e hS a f a r iD e h n a v i等提出了一款采用开槽寄生贴片的圆极化天线,结合超材料可实现1 2.0 4%的3d B轴比带宽1 1。2 0 2 0年,D i n gK a n g等提出了一款右旋圆极化天线,驱动贴片和寄生贴片全部采用阵列设计1 2,天线总增益可达1 0.2d B i。以上天线均采用了空气介质层拓展单馈叠层结构微带天线的带宽,但空气层厚度的控制给天线的制作带来了困难。为了解决此问题,本文设计了紧邻的双层结构天线,其具有装配简单,轴比带宽大,可产生双圆极化等优点。1 天线结构设计本文设计的圆极化天线采用紧邻的双层F 4 B介质基板(介电常数r=2.6 5,损耗角正切t a n=0.0 0 15,基板厚度h=2mm),辐射金属层分别为22寄生阵列、驱动贴片和接地板。图1为天线结构图。天线的驱动贴片采用正方形结构,边长为L,刻有I形缝隙,缝隙长度为ls,宽度为ws,方向角为,馈线宽度为wf。寄生阵列的各贴片长度为l1,宽度为w1,并对其进行腰长为p的切角处理。图1 天线结构示意图1.1 天线结构设计步骤在圆极化天线结构设计中,首先对单个寄生贴片的叠层天线进行仿真,然后在此基础上对天线结构进行优化以实现良好阻抗匹配,再调整轴比带宽至与阻抗带宽相同的频段。天线的具体结构设计步骤如图2所示,其主要分为单寄生贴片叠层天线设计、阵列寄生结构设计、驱动贴片开槽和开槽形状优化4个步骤。在天线结构设计时主要分析天线的阻抗带宽和轴比带宽两种参数,其中阻抗带宽采用回波损耗在-1 0d B以下的频带宽度,轴比带宽采用轴比3d B以下的频带宽度。图2 天线结构设计步骤不同天线的回波损耗和轴比分别如图3、4所示。天线1只加载了单个寄生贴片,阻抗带宽为0.3 5GH z,轴比带宽为0.2 2GH z,谐振深度小且轴比带宽窄。为了改善阻抗匹配特性,天线2采用了寄生 阵 列 结 构 以 拓 宽 阻 抗 带 宽,但 在5.8 96.0 4GH z时回波损耗仍高于-1 0d B,且轴比带宽恶化。天线3在驱动贴片刻蚀了4 5 矩形槽,以增强天线的圆极化特性,使天线在5.1 75.5 6GH z和5.9 56.3GH z时的轴比带宽小于3d B,但由于电流路 径 的 增 加,阻 抗 带 宽 也 拓 宽 至1.2 3 GH z(5.2 46.4 7GH z)。天线4将矩形槽结构优化为I形结 构,天 线 阻 抗 带 宽 为1.3 GH z(5.1 56.4 5GH z),轴比带宽为1.1 8GH z(5.1 2 6.3GH z),共同工作带宽为1.1 5GH z(5.1 56.3GH z)。将矩形槽优化为I形槽可以延长电流路径,调整天线的相位分布,由此改善了圆极化带宽不连续的问题。图3 回波损耗随频率的变化曲线131 第1期陆 畅等:一种寄生阵列宽带圆极化天线的设计图4 轴比随频率的变化曲线1.2 天线结构参数优化对天线结构的参数进行优化,其中切角腰长p和I形缝隙宽度ws对轴比的影响较大。图5、6为轴比随p、ws变化的仿真曲线。根据仿真分析可知,在5.06.5GH z内回波损耗曲线几乎无变化,因此仅对轴比变化进行讨论。图5 切角长度对轴比的影响图6 缝隙宽度对轴比的影响由图5可知,切角对轴比的影响主要表现在高频极小值的位置,当p=2.4mm时天线有最大轴比带宽;当p=2.8mm时切角面积过大,轴比会极大地减小。由图6可见,缝隙宽度直接影响了在约5.7GH z处的轴比大小,当ws=0.7mm时天线有最大轴比带宽。仿真确定的天线最优参数尺寸如表1所示。表1 天线最优参数尺寸参数值参数值L/mm1 2.7ls/mm7.0w1/mm1 0.5p/mm2.4l1/mm1 2.5wf/mm1.2ws/mm0.7/()4 5.02 天线圆极化方向图天线在频率为5.5GH z处x-z面和y-z面的仿真方向图如图7所示。由图可见,在5.5GH z处实 现 了 右 旋 圆 极 化(RHC P),最 大 增 益 为8.1d B i。右旋圆极化增益远大于左旋圆极化增益,实现了良好的交叉极化性能。由于天线使用了微带线馈电,结构的不对称导致y-z面方向图不对称,但最大增益方向仍在z轴方向,与x-z面最大增益方向保持一致。图7 频率为5.5GH z时天线圆极化方向图3 天线测试与分析加工了寄生阵列圆极化天线,天线的驱动贴片层、寄生阵列结构层和装配完成的整体模型如图8所示。采用矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行测试,仿真与测试结果如图9所示。231压 电 与 声 光2 0 2 3年 图8 天线加工实物图图9 天线回波损耗仿真与测试曲线天线的谐振点分别为5.2GH z和6.0 2GH z,实测阻抗带宽为1.3GH z(4.9 26.2 2GH z),工作带宽内谐振深度小于-1 2.3 8d B,阻抗匹配良好。测试中的天线频点向低频偏移,其原因可能是受到加工误差的影响,实际使用的介质基板的介电常数、损耗角与仿真不能完全符合,也会造成频点偏移。在微波暗室中对天线的轴比进行了测量,仿真与测试结果如图1 0所示。图1 0 天线轴比仿真与测试曲线由图1 0可 见,天 线 轴 比 带 宽 为1.2 6 GH z(4.9 7 6.2 3GH z),与阻抗带宽具有较好的一致性,共同工作带宽为1.2 5GH z(4.9 76.2 2GH z),测试结果证明了天线具有良好的圆极化性能。4 结束语本文设计了一款C波段宽带圆极化天线。天线以双层F 4 B为介质基板,采用单馈叠层结构实现圆极化。22切角寄生阵列的设计可改善天线的阻抗匹配,在驱动贴片上开槽可拓宽天线的轴比带宽。在5.5GH z时天线具有最大增益为8.1d B i的右旋圆极化和较好的交叉极化性能。对天线进行了加工和测试,天线实测的阻抗带宽和轴比带宽分别为1.3GH z和1.2 6GH z,共同工作带宽为1.2 5GH z(4.9 76.2 2GH z)。所设计的天线无空气层,易于装配,加工成本低,圆极化性能好。参考文献:1 E L AH IM,T R I NH-VANS,YAN G Y,e ta l.C o m p a c ta n dh i g hg a i n44c i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aa r r a yf o rn e x tg e n e r a t i o ns m a l ls a t e l l i t eJ.A p p l i e dS c i e n c e s,2 0 2 1,1 1(1 9):8 8 6 9.2 B A R A T T AIA,T I N O C O-SAF,S I L VAEJ.As i m-p l i f i e dm o d e lf o rp r e d i c t i n gt h ei n s t a l l e dp e r f o r m a n c eo f c i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n a sJ.I E E EA n t e n n a s a n dW i r e l e s sP r o p a g a t i o n L e t t e r s,2 0 1 9,1 8(1 2):2 5 2 8-2 5 3 2.3 李贵栋,张怀武,郝欣欣,等.一种新型的X波段圆极化微带天线J.压电与声光,2 0 1 5,3 7(5):9 1 5-9 1 7.L IG u i d o n g,Z HAN G H u a i w u,HA O X i n x i n,e ta l.An o v e lc i r c u l a rp o l a r i z e d m i c r o s t r i pa n t e n n aa tX-b a n dJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 5,3 7(5):9 1 5-9 1 7.4 KHAN MS,I F T I KHA RA,F AYYA ZA,e ta l.C i r c u-l a r l yp o l a r i z e ds t a c k e dp a t c ha n t e n n aa r r a y w i t he n-h a n c e db a n d w i d t hf o rS-b a n da p p l i c a t i o n sJ.I n t e r n a-t i o n a lJ o u r n a lo fR Fa n d M i c r o w a v eC o m p u t e r-A i d e dE n g i n e e r i n g,2 0 1 9,2 9(9):e 2 1 8 3 0.1-e 2 1 8 3 0.8.5 S HAW M,MAN D A L N,GAN G O P A DHYAY M.Ac o m p a c tp o l a r i z a t i o nr e c o n f i g u r a b l es t a c k e dm i c r o s t r i pa n t e n n a f o rW i MA Xa p p l i c a t i o nJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r-n a l o fM i c r o w a v ea n d W i r e l e s sT e c h n o l o g i e s,2 0 2 0,1 3(9):9 2 1-9 3 6.6 L I NJF,CHU Q X.E n h a n c i n gb a n d w i d t ho fC P m i-c r o s t r i pa n t e n n ab yu s i n gp a r a s i t i cp a t c h e si na n n u l a rs e c t o r s h a p e st oc o n t r o le l e c t r i cf i e l dc o m p o n e n t sJ.(下转第1 3 8页)331 第1期陆 畅等:一种寄生阵列宽带圆极化天线的设计型单轴四位置寻北精度在0.0 2 内,姿态精度 在0.0 2 内,有效地提高了寻北测角精度。根据对比可知,本文设计的改进型四位置单兵寻北测角调节装置适用于人员走动和阵风干扰环境下的寻北测角。相比于常规四位置寻北测角,其具有明显的精度优势;相比于双陀螺或三陀螺寻北测角,其具有质量、精度和成本的优势。5 结束语本文着重研究了单兵寻北测角调节装置的单轴光纤陀螺寻北测角方法,满足单兵快速架设设备且实现四位置快速寻北的使用要求。另外,针对测试中可能存在的干扰进行识别,并针对干扰进行有效处理,实现了一定干扰下的高精度寻北测角。通过试验对比可知,改进型四位置寻北测角方法有效,满足单兵侦察时高精度寻北测角的需求。参考文献:1 徐海刚,裴玉锋,刘冲,等.光纤陀螺惯导在航海领域的发展与应用J.导航定位与授时,2 0 1 8,5(2):7-1 1.2 汪红兵,王新宇,阳洪,等.基于光纤陀螺温度漂移误差补偿方法研究J.压电与声光,2 0 1 8,4 0(2):1 9 9-2 0 1.WANGH o n g b i n g,WAN GX i n y u,YANG H o n g,e ta l.S t u d yo nc o m p e n s a t i o nm e t h o do f t e m p e r a t u r ed r i f t e r-r o rb a s e do nf i b e ro p t i cg y r oJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 8,4 0(2):1 9 9-2 0 1.3 王晶晶.关于高精度小型化陀螺寻北仪的结构设计研究D.南京:东南大学,2 0 1 8.4 李刚,黄勇,周静梅,等.光纤陀螺寻北仪四位置转位机构设计 及 其 控 制 J.压 电 与 声 光,2 0 1 0,3 2(4):5 5 8-5 6 0.5 王鹤然.单轴光纤陀螺寻北算法设计与实现D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2 0 1 9.6 刘程.光纤陀螺寻北仪四位置参数补偿算法J.压电与声光,2 0 1 6,3 8(5):7 7 0-7 7 4.L I U C h e n g.P a r a m e t e r c o m p e n s a t i o n a l g o r i t h m f o rf o u r-p o s i t i o nF O G n o r t hs e e k e rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 6,3 8(5):7 7 0-7 7 4.7 褚洋杨.高精度单光纤陀螺寻北技术研究D.长沙:国防科技大学,2 0 1 8.8 杨建业,范小虎,赵旭阳,等.旋转式平台惯导系统随机误差自补偿技术研究J.传感技术学报,2 0 1 4,2 7(5):6 3 7-6 4 2.9 徐海刚,郭宗本.旋转式光纤陀螺寻北仪研究J.压电与声光,2 0 1 0,3 2(1):3 8-4 1.1 0王立冬,王夏霄,张春熹.光纤陀螺寻北仪多位置寻北误差分析J.压电与声光,2 0 0 7,2 9(1):4 2-4 4.(上接第1 3 3页)I E E EA n t e n n a s&W i r e l e s sP r o p a g a t i o nL e t t e r s,2 0 1 8,1 7(5):9 2 4-9 2 7.7 YAN G H,L I UX,F AN Y.D e s i g no fb r o a d b a n dc i r c u-l a r l yp o l a r i z e da l l-t e x t i l ea n t e n n aa n di t sc o n f o r m a la r-r a y f o rw e a r a b l ed e v i c e sJ.I E E ET r a n s a c t i o n so nA n-t e n n a sa n dP r o p a g a t i o n,2 0 2 2,7 0(1):2 0 9-2 2 0.8 L E EC S,F AN Y,E Z Z A T M.S i n g l e-f e e dc i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i pa n t e n n aw i t hb e t h eh o l e so nt h er a d i a t i n gp a t c hJ.I E E E T r a n s a c t i o n so n A n t e n n a sa n dP r o p a g a t i o n,2 0 2 0,6 8(6):4 9 3 5-4 9 3 8.9 YUJ,L U WJ,CHE N G Y,e ta l.T i l t e dc i r c u l a r l yp o-l a r i z e db e a m m i c r o s t r i pa n t e n n aw i t hm i n i a t u r i z e dc i r-c u l a r s e c t o r p a t c hu n d e rw i d e b a n dd u a l-m o d e r e s o n a n c eJ.I E E ET r a n s a c t i o n so nA n t e n n a sa n dP r o p a g a t i o n,2 0 2 0,6 8(9):6 5 8 0-6 5 9 0.1 0YAN G W W,S UN WJ,Q I N W,e ta l.B r o a d b a n dc i r-c u l a r l yp o l a r i z e ds t a c k e dp a t c ha n t e n n aw i t h i n t e g r a t e dd u a l f e e d i n gn e t w o r kJ.I E T M i c r o w a v e sA n t e n n a s&P r o p a g a t i o n,2 0 1 7,1 1(1 2):1 7 9 1-1 7 9 5.1 1D EHNAV IM S,R A Z AV IS,A RMAK IS.I m p r o v e-m e n to f t h eg a i na n d t h ea x i a l r a t i oo f a c i r c u l a rp o l a r i-z a t i o nm i c r o s t r i pa n t e n n ab yu s i n gam e t a m a t e r i a ls u-p e r s t r a t eJ.M i c r o w a v ea n dO p t i c a lT e c h n o l o g yL e t-t e r s,2 0 1 9,6 1(1 0):2 2 6 1-2 2 6 7.1 2D I N GK,HONGR,GUAN D,e ta l.B r o a d b a n dc i r c u-l a r l yp o l a r i z e ds t a c k e da n t e n n a w i t hs e q u e n t i a l-p h a s ef e e dt e c h n i q u eJ.I E T M i c r o w a v e sA n t e n n a s&P r o p-a g a t i o n,2 0 2 0,1 4(8):7 7 9-7 8 4.831压 电 与 声 光2 0 2 3年