基于左手材料的圓極化貼片天線設(shè)計(jì)

摘要：基于左手材料的相位特性，提出了利用集總電容、電感加載構(gòu)造來(lái)得到寬帶功分移相器，然后利用該功分移相器結(jié)合L型金屬棒饋電結(jié)構(gòu)來(lái)拓展微帶天線帶寬，從而設(shè)計(jì)制作工作頻率為1．8 GHz、軸比小于3 dB的相對(duì)帶寬為40％、S11小于-10 dB的相對(duì)帶寬為32％(1．40-1．95 GHz)的天線設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵字：左手微帶線；功分器；寬帶圓極化貼片天線

O 引言
    近年來(lái)，隨著現(xiàn)代微波通信的發(fā)展，寬帶圓極化微帶天線的發(fā)展越來(lái)越受到研究者的重視，各種形式的寬帶圓極化微帶天線層出不窮。而左手材料則以其基于集總電容、電感周期加載結(jié)構(gòu)的形式更被廣泛地應(yīng)用到寬帶化、小型化微波器件領(lǐng)域。在有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種中心頻率為1．8 GHz的寬帶90°功分移相器，并通過(guò)L型探針結(jié)構(gòu)給微帶貼片饋電，從而提高了這種天線的圓極化帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)
    該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。該天線通過(guò)Wilkinson功分移相器將輸入能量分成兩路幅值相同、相位差為90°的信號(hào)。這兩路信號(hào)通過(guò)探針耦合饋電到圓形輻射貼片。這種結(jié)構(gòu)可以在金屬棒和天線金屬片之間引入更大的容抗，從而可以補(bǔ)償探針本身帶進(jìn)來(lái)的高感抗，進(jìn)一步增加天線和底板之間的高度。為了盡最大可能增加帶寬，本設(shè)計(jì)引入的混合空氣介質(zhì)層不失為一個(gè)非常有效的方法，該方法不但可以方便地得到介電常數(shù)為1的空氣層，而且可以在普通的介質(zhì)層上方便的印刷饋電網(wǎng)絡(luò)。為了擴(kuò)展天線的圓極化帶寬，本文使用了寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)，該天線由三部分組成，其中基于介質(zhì)板的饋電網(wǎng)絡(luò)層的輸入特征阻抗為50Ω，介質(zhì)板為邊長(zhǎng)W的正方形；而處在空氣層中半徑為Rs的L型金屬棒的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，高度為H1，超出天線的邊緣距離為S1；第三部分是用于輻射的金屬片，其直徑為D，離地面的高度為H。

    圓形貼片的主模是TMll模，根據(jù)上述天線結(jié)構(gòu)，TMll模的場(chǎng)能量集中在空氣層。若激勵(lì)單元的諧振頻率為f，激勵(lì)模式為TMll模。那么，當(dāng)貼片形狀為圓形，激勵(lì)板半徑為a時(shí)，則有：
   
    根據(jù)上述公式，選擇基片的介電常數(shù)和厚度，就可以得到需要頻率點(diǎn)的初始圓形貼片尺寸。本設(shè)計(jì)選擇基片厚度為0．8 mm，介電常數(shù)為2．2的介質(zhì)板Arlon Diclad 880(tm)做饋電網(wǎng)絡(luò)的基板，空氣層介電常數(shù)為l，中心頻率為1．8GHz。而在確定圓盤高度時(shí)，為了擴(kuò)展帶寬，可將貼片與基板間距離拉大，但是，隨著它們之間高度的增大，方向圖將不再具有良好的輻射特性，且?guī)捲黾訉⒉辉倜黠@，一般可將高度選擇在0．1～0．15λ之間，同時(shí)為了能讓L型金屬棒起到更好的饋電作用，這里取H=20 mm(0．11λ)比較合適。通過(guò)公式(1)可以得到初始圓形貼片的直徑為104 mm。其他參數(shù)的取值為：W=180 mm，L1=36 mm，H1=ll mm，Sl=14 mm，Rs=l mm。通過(guò)HFSS軟件的優(yōu)化仿真，可得到最佳貼片直徑D為76．5 mm。

2 寬帶功分饋電設(shè)計(jì)
    Wlnkinson功分器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該功分器可以看作一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)。端口1為輸入端，端口2、3為輸出端，兩端間互相隔離。功分器的兩個(gè)分支線的特征阻抗是。對(duì)兩個(gè)輸出端分別加入CRLH-TLs和傳統(tǒng)傳輸線，則可使兩端口具有90°的相位差。

   假設(shè)3端口為普通傳輸線，在中心頻率f0=1．8 GHz處的相位為-54°，那么，通過(guò)Agilent公司的ADS軟件計(jì)算得到的線長(zhǎng)為18．3 mm。由于普通傳輸線的線性特性，可以很容易得到f1=1．5 GHz和f2=2．1 GHz處的相位分別為φR(f1)=-45°和φR(f)=-63°。
    2端口加入CRLH-TLs后，頻率f1和f2處的相位

      根據(jù)式(6)可以得到CRLH-TLs中RH-TLs的結(jié)構(gòu)，再由式(5)、(7)以及匹配阻抗可得到L、C的大小值。取N=2，可得到RH-TLs的長(zhǎng)為3．1-mm，LH部分L=11．5 nH，C=4．6 pF。這樣，便可使用ADS搭建電路并優(yōu)化仿真。

3 仿真結(jié)果
    圖3所示為仿真得到的S11、S21、S31、S22、S33和S23參數(shù)曲線，圖4所示為加入左手結(jié)構(gòu)后兩端口的相位比較。

    從圖3所示的S參數(shù)曲線和圖4所示的相位比較圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，加入CRLH-TLs結(jié)構(gòu)后，兩端口的傳輸特性仍能達(dá)到要求，而且在1．28～2．53GHz范圍內(nèi)的端口相位差滿足90°±5°，這是普通微帶線根本無(wú)法比擬的。

    根據(jù)未加入饋電網(wǎng)絡(luò)時(shí)軟件仿真結(jié)果，本設(shè)計(jì)的雙饋點(diǎn)圓極化天線結(jié)構(gòu)的S11小于-lO dB時(shí)的帶寬為30％(1．46～1．94 GHz)，增益>5 dB時(shí)的帶寬為62．2％(1．25～2．37 GHz)。顯然，相對(duì)于普通介質(zhì)基板的圓極化天線，新天線的帶寬已有了很大的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文用左手微帶線和傳統(tǒng)的右手微帶線分別級(jí)聯(lián)在Wilkinson功分器上，并將其作為寬帶天線的饋電網(wǎng)絡(luò)；從而設(shè)計(jì)了一種新型寬帶圓極化貼片天線，該天線在各項(xiàng)性能指標(biāo)上均表現(xiàn)突出，各項(xiàng)指標(biāo)較傳統(tǒng)雙饋電型圓極化天線均具有顯著提高。