右旋圓極化矩形微帶天線設(shè)計(jì).docx

《右旋圓極化矩形微帶天線設(shè)計(jì).docx》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、右旋圓極化矩形微帶天線設(shè)計(jì)一、引言大多數(shù)情況下，矩形微帶天線工作于線極化模式，但是通過采用特殊的饋電機(jī)制及對微帶貼片的處理，它也可以工作于圓極化和橢圓極化模式。圓極化的關(guān)鍵是激勵(lì)起兩個(gè)極化方式相互正交的線極化波，當(dāng)這兩個(gè)模式的線極化波幅度相等，且相位相差90度時(shí)，就能得到圓極化的輻射。矩形微帶天線獲得圓極化特性的饋電方式有兩種：一種是單點(diǎn)饋電，另一種是正交饋電。本文采用單點(diǎn)饋電。我們知道，當(dāng)同軸線的饋電點(diǎn)位于輻射貼片的對角線位置時(shí)，可以激發(fā)TM10和TM01兩個(gè)模式，這兩個(gè)模式的電場方向相互垂直。在設(shè)計(jì)中，我們讓輻射貼片的長度L和寬度W相等，這樣激發(fā)的TM10和TM01兩個(gè)模式的頻率相同，強(qiáng)度

2、相等，而且兩個(gè)模式的電場相位差為零。若輻射貼片的諧振長度為Lc，我們微調(diào)諧振長度略偏離諧振，即一邊的長度為L1，另一邊的長度為W1，且L1>W1，這樣前者對應(yīng)一個(gè)容抗Y1=G-jB，后者對應(yīng)一個(gè)感抗Y2=G+jB，只要調(diào)整L1和W1的值，使得每一組的電抗分量等于阻抗的實(shí)數(shù)部分，及B=G，則兩阻抗大小相等，相位分別為-45度和+45度，這樣就滿足了圓極化的條件，從而構(gòu)成了圓極化的微帶天線。其極化旋向取決于饋電點(diǎn)接入位置，當(dāng)饋電點(diǎn)在如圖1-1的A點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生右旋圓極化；當(dāng)饋電點(diǎn)在圖1-1的B點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生左旋圓極化波。圖1-1單饋點(diǎn)圓極化矩形微帶天線結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基

3、片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為εr，對于工作頻率為的矩形微帶天線，可以用如下的公式估算輻射貼片的寬度：(1)其中，是光速。輻射貼片的長度一把取為，其中是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長，考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實(shí)際的輻射貼片長度為：(2)其中，是有效介電常數(shù)，是等效輻射縫隙長度，它們可以分別用下式計(jì)算，即為：對于同軸饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置，饋電的位置會影響輸入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以得到，圖示1-1結(jié)構(gòu)的50Ω饋電點(diǎn)位于輻射貼片對角線上，且饋電點(diǎn)和輻射貼片頂點(diǎn)的距離在(0.35~0.39)d之間，也即饋電點(diǎn)距離輻射貼片中心的距離

4、在（0.11~0.15）L(W)之間。上述分析都是基于無限大參考地平面的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過理論分析，實(shí)際中當(dāng)參考地平面比微帶貼片大出6h的距離時(shí)，計(jì)算結(jié)果就可以達(dá)到足夠的精確。三、HFSS模型建立與仿真結(jié)果本文要求設(shè)計(jì)一個(gè)工作于3.72Ghz的右旋圓極化矩形微帶天線，其中介質(zhì)基板的厚度為3mm，相對介電常數(shù)為4.53，要求50Ω同軸饋電，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定損耗角正切為0.001。根據(jù)上述公式的計(jì)算，得到微帶貼片的初始尺寸為L=17.7mm，同軸內(nèi)導(dǎo)體半徑設(shè)置為0.65mm，為標(biāo)準(zhǔn)SMA接頭。仿真中，設(shè)定變量L0、W0分別表示輻射貼片的長與寬，（L1，W1）表示饋電點(diǎn)坐標(biāo)，且L1=-0.14L0，W1=0.

5、14W0，仿真模型如圖3-1所示。圖3-1HFSS模型通過參數(shù)掃描與優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊操作，確定最終的參數(shù)為：L017.6mmW016.3mmL1-2.464mmW12.282mm貼片長寬之比為1.08，相差很小。天線的S11參數(shù)結(jié)果如3-2所示：圖3-2天線S11參數(shù)從S11參數(shù)看以看到，貼片的中心頻率為3.82Ghz，與設(shè)計(jì)所要求的3.72Ghz有100Mhz的頻差，其原因?qū)⒃诤笪年U述。圖3-3為該貼片天線的軸比圖，從圖中可以看到，其軸比最小點(diǎn)正好位于3.72Ghz，且數(shù)值為0.35dB，是一個(gè)純凈的圓極化波，一般工程中軸比小于3dB即可當(dāng)作為圓極化波，可以看到，軸比帶寬為：圖3-3軸比掃頻結(jié)果

6、圖示3-4反應(yīng)了增益的仿真結(jié)果，從圖中可以得到，天線總增益為6.5367dB，右旋圓極化增益為6.5329dB，Theta在-1100~900范圍內(nèi)，天線總增益與右旋圓極化波增益幾乎相等，這也表明了天線輻射的是右旋圓極化波，同時(shí)最大輻射方向的左旋圓極化增益為-23.9541dB，可見交叉極化很小，滿足設(shè)計(jì)要求。圖3-4增益方向圖圖3-5顯示了天線電壓駐波隨頻率的變化情況，從圖中可以得到，其帶寬為：由此可見，對于圓極化天線，我們更加關(guān)注的是軸比(AR)帶寬，而不是電壓駐波比(VSWR)帶寬，因?yàn)槠涓芊从吃撎炀€的工作特性。圖3-5VSWR掃頻結(jié)果圖3-6顯示了天線在xz平面與yz平面的右旋增益方

7、向圖。圖3-6xz和yz平面右旋增益方向圖四、結(jié)果分析從仿真結(jié)果中我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)事實(shí)，就是如果天線諧振到3.72Ghz，那么它的軸比將會非常差，所以只能調(diào)整天線尺寸，使其稍微偏離諧振頻點(diǎn)，從而激發(fā)兩個(gè)正交的模式，實(shí)現(xiàn)天線的圓極化工作。