1. 引言在全向圆极化天线领域近年来国内外相关研究报道众多。为实现全向辐射和圆极化辐射特征基本思路是设计相应的单元或者天线阵列。虽然已报道的相关天线外观结构各有千秋设计方案也不尽相同但是究其原理可以大致分为以下三类。第一类首先选取本身具有圆极化、定向辐射特征的天线作为单元随后将多个天线单元沿着圆周均匀排布通过适当的馈电则可以实现该天线阵的全向辐射。这种构造方式在设计思路上简单直观但为实现天线单元的同时馈电和全向辐射在构造中往往面临整体尺寸偏大、馈电网络设计复杂等问题。Wu D L,1995; Quan X L,2013; Zhou B,2015。第二类要求所设计的天线单元能够辐射两个正交的线极化分量通过组阵提供圆极化所需的正交相位差全向辐射性能则自然地通过结构的旋转对称性实现叠加场在所希望的最大辐射方向上增加从而获得全向圆极化。Liu C Y,2016; Fan Y,2015; Cai X Z,2020; Pan Y M,2012; Yu Y F,2017。第三类在垂直极化的主辐射体周围环向加载产生水平极化辐射分量的寄生单元两个极化分量合成后成为圆极化。这种类型的天线最基本的理论模型可以等效为一根有源偶极子加载一个寄生圆环二者共同辐射实现设计目标。Li B,2013; Pan Y M,2014; Yu D,2014表 1给出了上述三种构造方案的典型代表表中主要给出了天线的电尺寸和可用带宽。综合来看第二类构造方法在尺寸和带宽表现上更加均衡更有希望能同时实现轴比带宽拓展和小型化设计。表 1. 几种典型的全向圆极化天线.注表中ϕ表示天线结构外接圆的直径λL表示天线尺寸通过工作带宽下限对应波长确定I、II、III分别对应前述设计类型的第一类、第二类和第三类。全向圆极化天线的第二类构造方法中一种非常典型的天线类型是倾斜偶极子阵列(Fan Yi, 2015)其结构如图 1 所示天线的可用带宽达到了 40%距离物联网的通信需求还有差距。分析其阻抗带宽受限的原因主要是天线单元为直线。大大限制了辐射体对远场的调控能力以及相关设计的自由度因此本文提出了一种引入更多设计自由度、基于曲线偶极子的倾斜偶极子阵列。图 1. 倾斜偶极子阵列结构示意图2. 天线结构基于前面的分析和思路本文提出了一种基于曲线形偶极子的倾斜偶极子阵列可以有效实现天线的轴比带宽拓展和尺寸的小型化设计。2.1 单元结构基于前面的思路图 2 给出了曲线抛物线形偶极子单元的演化过程和具体结构参数其中 γ 代表将曲线围绕原点旋转的角度其正负表示逆时针旋转和顺时针旋转在图中用弧形粗箭头表示。曲线形偶极子条带的构造过程如下首先按照解析表达式绘制出曲线随后将曲线沿着 y 方向图 2 中的坐标系分别移动 W1/2最后将这两条移动后新得到的曲线两端相邻的端点连接起来即形成了一个类似于四边形的封闭区域将细线模型变为具备一定宽度的薄条带这就是偶极子的一条臂。另一条臂则通过已有的臂围绕坐标原点旋转 180°即可得到两条臂关于原点旋转对称。实际在 CST 中仿真中可以发现条带宽度变宽虽然有利于阻抗匹配但同时会对辐射性能造成负面影响考虑两种因素的折中本文取条带宽度 W14.4mm。图 2. 曲线偶极子的演化及具体参数这种曲线形偶极子一来可以增加天线设计的自由度为天线的轴比带宽的拓展提供必要条件二来曲线本身具备的曲流设计可以让天线天然地实现小型化设计。2.2 阵列构造在得到天线单元之后宽带全向圆极化天线阵列的构造过程如下将四根曲线形偶极子沿着矩形长边均匀贴在一个宽度为 H长度为 2pR 的矩形柔性介质基板上偶极子中心点位于矩形短边的中心线上。随后将这个柔性介质基板贴附在一个半径为 R、高度为 H 的圆柱支撑体上即可。结构的对称性可以保证天线良好的全向辐射。另外H 需大于偶极子的纵向高度具体参数值如图 2 所示。2.3 阻抗匹配与馈电网络设计对上面提到的曲线偶极子而言要实现较宽的阻抗带宽其单元阻抗特性无法满足因此本文引入一种常见的拓展阻抗带宽的手段即添加寄生单元将寄生单元应用到图 2 所示的曲线形偶极子上。考虑到结构对称性和小型化设计的兼顾此处使用了两个对称放置的椭圆形寄生单元如图 3 所示。相关具体结构参数见表 2。图 3. 添加了寄生单元的曲线形偶极子表 2. 基于曲形偶极子的宽带全向圆极化天线结构参数由于天线为四单元阵列故需要设计相应的馈电结构。已报道的同类型全向天线中Quan X L,2013; Liu C Y,2016; Fan Y,2015都使用了 Marchand 巴伦结构由于其中具有耦合结构故在一定程度上能获得宽带匹配。在馈电网络类型的选择上考虑到天线的辐射性能会受到周围环境的影响而馈电结构本身是电磁波的传导结构可能会有轻微的电磁波泄露同时馈电网络也是一种散射体CST 中的仿真表明这两种因素都会对天线的辐射性能有较大影响。因此本文放弃了具有较大地板的 Marchand 巴伦而选择了结构更加紧凑、简单的平行双面带线。由于 DSPSL 是对称的传输线因此没有大面积的地板可以减少馈电网络对天线的散射影响。最终的馈电结构如图 4(a)所示介质基板使用了 Rogers FR4 (er 4.4)除同轴馈电在地板上开的孔该结构的正反面是旋转对称的。为获得更加宽带的阻抗匹配效果采用三级阶梯阻抗变换器将 100Ω附近的输入阻抗变换到馈电端口50Ω。馈电网络放置在天线阵列中央如图 4(b)所示。3. 仿真与实验结果除了馈电网络作为散射体会影响天线的辐射性能之外支撑结构会对天线单元之间的互耦造成影响从而也会在一定程度上对辐射造成影响。本论文在结构上将圆柱支撑体简化为圆柱网格支撑体。另外用于条带偶极子贴附的柔性基板也尽量选择低介电常数的材料在 CST 中仿真时尽量考虑现实因素。图 5. 天线实物图。(a)整体结构(b)支撑结构(c)馈电网络如图 5(a)所示偶极子天线单元印制在 0.1mm 厚的柔性基板 F4BM(E)-2 (er 2.2)上柔性基板再缠绕至支撑结构支撑圆柱网格结构通过 3D 打印获得材料选择了尼龙er2.78如图 5(b)所示。馈电网络实物图如图 5(c)所示结构简单地板很小。图 6. 天线 S 参数与轴比。aS 参数b轴比结果图 6(a)为天线的 S 参数测试结果最终测试的 S11 小于-10dB 的相对带宽为 67%对应频段为 1.15GHz-2.31GHz。图 6(b)给出了天线的轴比测试及仿真结果为验证天线的全向性图中同时给出了水平面上φ0˚和φ45˚处的轴比测试结果。测试结果在1.16GHz2.28GHz 满足 AR3dB相对带宽为 65%。图 7. 天线在 1.2GHz、1.7GHz 和 2.2GHz 三个频点处的方向图天线的辐射方向图如图 7 所示从工作频带内三个频点处垂直面xoz 面方向图可知天线的最大辐射方向位于水平面而从水平面xoy 面上方向图可见天线具备良好的全向辐射特征。仿真和测试结果吻合良好。4. 结论本文提出了一种基于抛物线形偶极子的宽带全向圆极化天线在实现了轴比带宽拓展的同时通过加载寄生单元、设计宽带阻抗匹配网络实现了和轴比带宽相匹配的阻抗带宽最终实现了 65%的阻抗带宽、67%的轴比带宽通过曲流设计保证了天线的结构紧凑电尺寸仅为0.22入x0.22入x0.27入 。资料来源达索官方【相关内容】CST阵列、镜像、复制天线单元方法技巧CST 辐射边界反射过高优化方法|达索CST Studio Suite宽带天线选时域还是频域求解器CST studio suite软件介绍