點(diǎn)擊上方actMWJC關(guān)注《微波雜志》

---

Compact CPW-Fed Dual-Band Linearly and Circularly Polarized Monopole Antenna for WiMAX and WLAN

Qiang Chen, Hou Zhang and Xue-liang Min, University of Airforce Engineering, Xi'an; Lu-Chun Yang, China Mobile Ltd., Shenzhen

(注：閱讀包含圖、表、公式、參考文獻(xiàn)的全文請(qǐng)點(diǎn)擊最下方的“”)

緊湊型雙頻帶線極化和圓極化單極天線采用倒L形不對(duì)稱接地平面，由共面波導(dǎo)(CPW)饋電。倒L形帶在接地平面和單極子中產(chǎn)生與最初線極化(LP)所不同的正交分量。通過在接地平面嵌入狹縫，該天線實(shí)現(xiàn)了寬阻抗帶寬和圓極化。測(cè)量表明，3.3至9GHz的10dB帶寬為92.7%，5至9GHz的3dB軸比(AR)帶寬為57.1%，能夠覆蓋5.725至5.85GHz的WLAN頻段。同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)覆蓋3.3至3.7GHz WiMAX頻段的線極化。與其它近期研究相比，本天線的關(guān)鍵特征在于軸比和阻抗帶寬更寬，以及結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單緊湊。

圓極化輻射廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗領(lǐng)域^1-3。為實(shí)現(xiàn)圓極化，人們提出了多種印刷單極子方案^4-10。Augustin和Denidni⁴設(shè)計(jì)了一種具有梯形結(jié)構(gòu)的多波段共面單極天線。Wang和Hisao⁵提出了利用非對(duì)稱接地平面，通過簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)接地平面寬度從而在1.57GHz處激發(fā)圓極化。Ghobadi和Dehmollaian⁶在簡(jiǎn)單印刷單極子中引入了兩個(gè)不同長(zhǎng)度的臂來實(shí)現(xiàn)圓極化。此外，還有采用接地平面開縫⁷、四凹槽⁸、U形和E形槽改變饋電點(diǎn)位置⁹、單級(jí)子開槽¹⁰、S形槽¹¹、接地平面上的倒L切口以及三個(gè)Wilkinson功率分配器組成的饋電網(wǎng)絡(luò)¹²。以上都是制造圓極化單極天線的各種方案。

由于這些方案所實(shí)現(xiàn)的圓極化帶寬都很窄，又有一系列寬帶圓極化單極天線被提出來^13-16。Kumar和Harish¹³介紹了一種帶有功分網(wǎng)絡(luò)的單極縫隙天線，調(diào)節(jié)其縫隙大小可實(shí)現(xiàn)30%的軸比帶寬；但同時(shí)它尺寸很大，幾何形狀復(fù)雜。通過并排對(duì)準(zhǔn)倒L形帶，并在接地平面上切割出倒L凹槽，可實(shí)現(xiàn)大于30%的圓極化帶寬¹⁴。月牙形¹⁵和犄角形¹⁶的單極天線同樣能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶圓極化輻射。然而，大多數(shù)具有縫隙和短截線或是內(nèi)置有復(fù)雜結(jié)構(gòu)^13-18的寬帶圓極化單極天線尺寸都很大。

本文提出了一種新穎的緊湊型雙頻線極化和圓極化單極天線，它具有倒L形單極子和非對(duì)稱接地平面，可用于WiMAX和WLAN。

天線結(jié)構(gòu)

共面波導(dǎo)饋電單極天線最終的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線印刷在介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02的FR4基板上。通過在非對(duì)稱接地平面左側(cè)蝕刻一道狹縫，可激發(fā)寬帶圓極化并實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。為了取得更寬的阻抗帶寬，我們?cè)诓粚?duì)稱接地面以及單極輻射器的底部加入了阻抗匹配結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整倒L形帶的尺寸以及接地平面狹縫的長(zhǎng)度可得到兩個(gè)相鄰的圓極化模，從而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化。為了在保持回波損耗優(yōu)于10dB的同時(shí)最大化3dB軸比帶寬，我們采用HFSS對(duì)倒L形帶、狹縫長(zhǎng)度和CPW饋線的尺寸進(jìn)行了最優(yōu)計(jì)算(參見表1)。

圖2所示是對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的過程中構(gòu)建的四個(gè)原型。圖3a和3b分別比較了它們的S₁₁和軸比。對(duì)于傳統(tǒng)單極子而言，由于垂直方向上輻射強(qiáng)度弱，因此難以產(chǎn)生圓極化。這一點(diǎn)在圖4a中由電場(chǎng)矢量所體現(xiàn)。兩個(gè)接地平面的垂直電場(chǎng)矢量朝向相反方向，疊加導(dǎo)致垂直分量很小。因此，圖3b中可以看到具有較大軸比值的水平線性極化(天線II)。

一般來說，圓極化由兩個(gè)具有相同振幅和90°相位差的正交E矢量生成，定義如下：

其中E是瞬時(shí)電場(chǎng)矢量，E_Hor和E_Ver表示水平和垂直平面中對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)矢量，δ為相位差。若E_Hor與E_Ver振幅相等，δ等于±90度，則極化波為右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)¹⁸。極化特征可通過軸比來體現(xiàn)，分為RHCP或LHCP^19-20，并由下式表達(dá)：

線極化、圓極化和橢圓極化(EP)為極化的三種形式。要實(shí)現(xiàn)完全線極化，軸比需要無限大；完全圓極化則需要軸比為0dB；橢圓極化則處于二者之間。由于軸比為0dB的完全圓極化波為理想情況，通常可認(rèn)為圓極化軸比值小于3dB。

裝有倒L形帶饋源的不對(duì)稱接地平面能生成E_Hor和E_Ver，但同時(shí)也會(huì)激發(fā)橢圓極化。因此，我們采用一個(gè)左接地面開有水平縫隙的不對(duì)稱接地平面來產(chǎn)生具有90度相位差的兩個(gè)正交模。如此一來，E_Hor和E_Ver的振幅幾乎相等、相位差為90°，從而激發(fā)圓極化(參見圖3b及4b中的天線III和IV)。如圖4b所示，垂直極化分量由不對(duì)稱接地平面生成，后者在右接地面中產(chǎn)生垂直磁場(chǎng)矢量。為了實(shí)現(xiàn)更寬的阻抗匹配帶寬，我們引入匹配結(jié)構(gòu)，改進(jìn)結(jié)果可見圖3a(天線IV)。

參數(shù)分析

圓極化主要取決于倒L形帶的尺寸、接地平面的高度以及狹縫的長(zhǎng)度。圖5顯示了HFSS優(yōu)化后每個(gè)正交極化的表面電流分布情況，最優(yōu)尺寸列于表1中。

圖6顯示了7GHz下L₁和d對(duì)天線阻抗匹配和軸比影響的MATLAB仿真結(jié)果。仿真及分析表明，L₁=6.25mm且d=3.25mm時(shí)達(dá)到最佳阻抗和軸比特性。不同L_f值對(duì)應(yīng)的S₁₁和軸比曲線如圖7所示。當(dāng)L_f從21mm變化到23mm時(shí)，可以看到阻抗匹配變好且S₁₁極小值下移。同時(shí)，無論L_f大于或小于22mm，圓極化性能指標(biāo)都會(huì)變差。S₁₁和軸比的最優(yōu)情況都出現(xiàn)在22mm左右。圖8為不同S_y值所對(duì)應(yīng)的S₁₁和軸比曲線。當(dāng)S_y增大時(shí)，反射系數(shù)曲線的第二諧振頻率向上移動(dòng)。第一和第二圓極化模也向上移動(dòng)，加寬了軸比帶寬。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的反射系數(shù)和軸比，必須在選擇S_y時(shí)進(jìn)行權(quán)衡；S_y值約為2.75mm時(shí)，達(dá)到最佳S₁₁和軸比特性。

圖9截取了5.6GHz時(shí)貼片的磁場(chǎng)由0度旋轉(zhuǎn)至270度過程中四個(gè)不同時(shí)刻磁場(chǎng)矢量分布情況的仿真結(jié)果。隨著時(shí)間的增加，磁場(chǎng)矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明z>0時(shí)為L(zhǎng)HCP，即空間上半部分。相應(yīng)的，RHCP對(duì)應(yīng)z<0或空間下半部。

仿真和測(cè)量

我們通過HFSS對(duì)天線完成了仿真，并依照表1的最優(yōu)尺寸進(jìn)行制造。仿真情況下和實(shí)際測(cè)得的天線S₁₁和軸比值與頻率的關(guān)系如圖10所示。3.3至9GHz對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)和仿真阻抗帶寬為92.7%。對(duì)于5至9GHz，中心頻率7GHz，圓極化帶寬為57.1%。這一性能表現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)5.725至5.85GHz WLAN頻段的全覆蓋。同時(shí)，線極化可覆蓋3.3至3.7GHz的WiMAX頻段。可以看到除了由于SMA連接器質(zhì)量不好以及制造公差所導(dǎo)致的出入之外，仿真和測(cè)量結(jié)果極為一致。

圖11描繪了3.7、5.6和8.3GHz時(shí)xoz及yoz平面上天線輻射方向圖的仿真和測(cè)量結(jié)果，兩者非常接近。當(dāng)工作頻率較低時(shí)，天線垂直極化，輻射圖呈槽狀；在較高頻率上，天線以RHCP/LHCP極化的片狀圖樣輻射。究竟是LHCP或RHCP取決于觀察點(diǎn)是從+Z方向(上半球)還是-Z方向(下半球)。增益和效率與頻率的關(guān)系如圖12所示。

小結(jié)

緊湊型雙頻帶線極化和圓極化單極天線通過結(jié)合倒L形帶和水平狹縫，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相鄰圓極化模的耦合，從而得到較寬的3dB軸比帶寬。仿真結(jié)果顯示10 dB阻抗帶寬為92.7%(3.3至9GHz)，3dB軸比帶寬為57.1%(5至9GHz)，且與測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好。

《微波雜志》微信號(hào)：ACT-MWJC

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的rtklib 天线相位中心_(原文链接错，重发)用于WiMAX和WLAN的紧凑型共面波导馈电双频线极化和圆极化单极天线（原载于微波杂志19年7/8月号）...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。