一種應用于方向回溯天線(xiàn)陣的分形雙極化天線(xiàn)

1 引言

隨著(zhù)通信系統的快速發(fā)展，迫切需要低成本、高增益，同時(shí)具有自動(dòng)波束跟蹤能力的新型天線(xiàn)的出現?；谙辔还曹椉夹g(shù)而提出的方向回溯天線(xiàn)（Retrodirective Antenna）能自動(dòng)發(fā)射來(lái)波的響應信號（入射信號或者處理后的入射信號）到來(lái)波方向，而不需要來(lái)波方向的先驗知識和復雜的數字信號處理算法。相對于傳統天線(xiàn)技術(shù)和通常的自適應天線(xiàn)技術(shù)，方向回溯天線(xiàn)技術(shù)具有快速跟蹤的特性和更好的性?xún)r(jià)比，這一特點(diǎn)使得其在通信、射頻識別、共形天線(xiàn)、功率傳輸等領(lǐng)域中有著(zhù)廣闊的應用前景。

為了減少方向回溯天線(xiàn)陣元數目，實(shí)現收發(fā)隔離，方向回溯天線(xiàn)陣常采用雙極化天線(xiàn)。雙極化天線(xiàn)自身具有頻率復用、收發(fā)一體化、極化分集、提高系統靈敏度、極化捷變等特點(diǎn)。在方向回溯天線(xiàn)陣列系統中應用雙極化天線(xiàn)收發(fā)一體化的特點(diǎn)，將一對正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端，實(shí)現收發(fā)隔離，使得方向回溯天線(xiàn)在通信系統中發(fā)揮更好的作用。

雙極化天線(xiàn)饋電結構形式多種多樣，通常采用的基本形式有：（1）共面饋電形式，分為角饋和邊饋兩種基本形式。共面饋電隔離度較差，一般只應用于特定場(chǎng)合或者工程要求不高的情況下；（2）共面和口徑耦合相結合饋電形式。這種饋電方式可實(shí)現高隔離度，極化純度較高等優(yōu)點(diǎn)，但由于饋電在不同介質(zhì)層上，不易用于天線(xiàn)陣列的設計；（3）口徑耦合饋電形式。采用開(kāi)C形或H形槽來(lái)實(shí)現高隔離度雙極化天線(xiàn)，許多工作者采用這種饋電形式實(shí)現雙極化。

為提高天線(xiàn)工作帶寬和端口隔離度，本文采用了H形槽和電容加載H形槽相結合的口徑耦合饋電形式，輻射貼片采用二級Minkowski分形結構，實(shí)現了一種高隔離度分形雙極化微帶天線(xiàn)的設計，將其作為方向回溯天線(xiàn)陣列單元（工作頻率范圍4.4 GHz ~ 5 GHz）。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.1對該天線(xiàn)進(jìn)行電磁仿真，并加工實(shí)物，利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行實(shí)際測試。測試結果顯示VSWR＜2的相對阻抗帶寬H端口達到17.6 %，V端口達到20.5 %，雙端口隔離度大于35 dB，天線(xiàn)增益大于8 dB，前后比大于20 dB，仿真和測試結果均滿(mǎn)足方向回溯天線(xiàn)系統對天線(xiàn)單元的要求指標。

2 天線(xiàn)設計

分形口徑耦合雙極化微帶天線(xiàn)結構如圖1所示，其中圖1（a）為天線(xiàn)側視圖，圖1（b）為天線(xiàn)的俯視圖。天線(xiàn)主要由兩層介質(zhì)板構成，上層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯材料，輻射貼片刻蝕在上層介質(zhì)板的下表面，這樣上層介質(zhì)板可起到天線(xiàn)罩的作用加以保護。下層介質(zhì)板采用FR4材料，接地板和饋線(xiàn)分別位于下層介質(zhì)板的上下兩側，H形和加載H形槽開(kāi)在接地板上且互相垂直。

兩層介質(zhì)板之間為空氣層，這相當于將上層介質(zhì)板的厚度增加到原厚度與空氣間隙之和，因此降低了介質(zhì)板的平均相對介電常數，即降低了該微帶天線(xiàn)的Q值，從而達到了增大頻帶寬度的目的，同時(shí)也有助于提高天線(xiàn)的增益。

為了減小天線(xiàn)尺寸，天線(xiàn)輻射貼片采用二級Minkowski分形結構，分形結構改變了輻射貼片電流分布，使電流沿著(zhù)曲折的導體面而非簡(jiǎn)單的幾何面分布，相當于增加了電長(cháng)度，降低諧振頻率，因此可以減小天線(xiàn)尺寸。

為提高雙端口隔離度，該天線(xiàn)采用H形高隔離度口徑耦合形式。由于相互垂直的兩個(gè)H形開(kāi)槽占有較大的面積，增加了天線(xiàn)尺寸，所以V端口采用H形開(kāi)槽，H端口在H形槽的基礎上改進(jìn)為電容加載H形槽，即將H形開(kāi)槽兩臂彎折，因此增加開(kāi)槽臂長(cháng)度，提高端口隔離度。通過(guò)調整兩個(gè)饋電開(kāi)槽和輻射貼片開(kāi)槽的尺寸長(cháng)度，可以改善輸入端口的阻抗特性，實(shí)現輻射貼片的寬頻諧振。

(a)

(b)

圖1 (a) 天線(xiàn)側視圖 (b) 俯視圖

3 結果及分析

本文利用Ansoft公司的HFSS軟件對分形口徑耦合雙極化天線(xiàn)進(jìn)行電磁仿真計算，仿真調試天線(xiàn)尺寸為：上層介電常數ε_r1 ＝2.65，下層介電常數ε_r2 ＝ 4.4；介質(zhì)板大小W = 40 mm，厚度h = 1 mm；貼片尺寸pa = pb = 16.8 mm，H形槽結構尺寸：xa = 7 mm，xb = 0.5 mm，xc = 6 mm，xd = 0.2 mm；加載H形槽尺寸：ya = 5 mm，yb = 0.8 mm，yc = 6 mm，yd = 0.2 mm，tc = 1 mm；饋線(xiàn)開(kāi)路枝節尺寸：vt = 2 mm，ht =3.5 mm。

根據上述天線(xiàn)基本尺寸，加工了實(shí)物天線(xiàn)。如圖2（a）為天線(xiàn)側視圖，圖2（b）為二級Minkowski分形輻射貼片。

(a)

(b)

圖2 (a) 天線(xiàn)實(shí)物側視圖 (b) 分形輻射貼片

圖3為兩端口駐波的仿真與測試結果。由圖3可知，仿真得到端口H駐波小于2的頻率范圍為4.38 GHz ~ 5.168 GHz，相對阻抗帶寬為16.8 %，端口V駐波小于2的頻率范圍為4.27 GHz ~ 5.203 GHz，相對阻抗帶寬為19.7 %；實(shí)測得到端口H和端口V的相對阻抗帶寬分別為17.6 %、20.5 %。說(shuō)明仿真和測試結果基本吻合，但測試曲線(xiàn)略有偏移，這是由于介電常數分布的不均勻性和測試誤差造成的。

圖3 天線(xiàn)雙端口VSWR仿真與測試圖

天線(xiàn)端口隔離度的仿真和測試結果如圖4所示，在工作頻率范圍內，雙端口隔離度仿真結果為S21 ≤ -31.5 dB，測試結果為S21 ≤ -35 dB，說(shuō)明兩端口具有較高的隔離度，可以實(shí)現收發(fā)隔離的工程要求。

圖4 天線(xiàn)隔離度S₂₁

圖5表示天線(xiàn)增益的實(shí)測結果，可見(jiàn)，在工作頻帶內天線(xiàn)增益均大于8 dB，滿(mǎn)足方向回溯陣單元對增益的要求。

圖5 天線(xiàn)增益

圖6為f = 4.7 GHz時(shí)仿真和測量得到的方向圖。比較仿真和測試結果可知，兩端口測得的E面、H面方向圖曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)吻合較好，天線(xiàn)前后比大于20 dB。但是端口V實(shí)際測量得到的H面曲線(xiàn)出現了一些波紋，這是由于測試環(huán)境和測試條件的影響所致。

(a)

(b)

圖6 (a)端口H仿真和測試方向圖
(b)端口V仿真和測試方向圖

4 結論

本文設計了一種方向回溯天線(xiàn)陣列單元，采用口徑耦合雙極化天線(xiàn)，利用二級Minkowski分形輻射貼片減小了天線(xiàn)尺寸，改進(jìn)H形耦合槽為電容加載H形槽，提高了兩端口隔離度。實(shí)測結果和仿真結果吻合良好，實(shí)測表明，該天線(xiàn)端口H、端口V的阻抗帶寬分別為17.6 %、20.5 %。天線(xiàn)增益達到8 dB以上，前后比大于20 dB，兩極化端口隔離度大于35 dB。該天線(xiàn)可用作方向回溯天線(xiàn)陣單元，實(shí)現收發(fā)隔離，減少方向回溯天線(xiàn)陣元數目，為進(jìn)一步方向回溯天線(xiàn)陣的研究奠定基礎。