互補(bǔ)天線分析仿真（Complementary Antenna ）

貼片天線的主要限制是窄帶寬。帶寬增強(qiáng)技術(shù)有:孔徑耦合饋電、容性饋電、堆疊貼片、U型槽貼片、L型探針饋電、E型貼片和傳導(dǎo)通孔等。然而這些技術(shù)增加了天線的高度和體積,同時(shí)降低了天線的其他特性。例如這些設(shè)計(jì)的輻射方向圖經(jīng)常隨著頻率大幅度變化,并且導(dǎo)致較高的交叉極化電平和較強(qiáng)的后向輻射。

互補(bǔ)天線,互補(bǔ)源: 如果兩個(gè)源擁有相同的振幅,并且通過(guò)合適的相位相結(jié)合,其所產(chǎn)生的輻射方向圖將在E面和H面相同,另外其后向輻射將為零。前人有用偶極子+槽縫天線或者單極子+槽縫天線來(lái)實(shí)現(xiàn)這種概念。

ME偶極子天線就是這種互補(bǔ)型天線。對(duì)比微帶天線,ME天線擁有有較寬的阻抗帶寬和穩(wěn)定的方向圖。然而ME偶極子的重要的缺陷就在于其高度太高約為0.25倍波長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn) 19 -23 好好再讀讀,然后寫成博客。

本文提出了一種新的互補(bǔ)型天線,其由單極子、槽縫、貼片天線組合而成。這個(gè)天線放棄使用反射面和地平面,但是在整個(gè)頻段都是單向輻射。而所提出的天線的高度僅僅0.035倍波長(zhǎng),這樣其高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于寬帶微帶貼片天線(約0.1倍波長(zhǎng)),也就是說(shuō),這個(gè)天線提供了寬的阻抗帶寬、平直的增益和穩(wěn)定的方向圖。

一般來(lái)說(shuō),貼片天線的地平面比起輻射貼片的尺寸要大,從而產(chǎn)生單向輻射,如果地平面和輻射貼片相同,其輻射朝向?yàn)殡p向,等效于兩個(gè)平行完美磁流。其方向圖在E面是橢圓形,在H面是8字形。(下左圖)

如上右圖所示,一對(duì)差分饋電的槽縫放置于貼片上,其輻射方向圖在E面是8字形,在H面是橢圓形。這個(gè)天線實(shí)現(xiàn)了另一個(gè)電偶極子。

如上圖所示,微帶天線是由兩個(gè)同樣大小的貼片組成。其中一個(gè)是矩形金屬片,另一個(gè)同槽縫、單極子和微帶饋線一起,建立于Duroid 5870 電介質(zhì)襯底(相對(duì)介電常數(shù)2.33,厚度0.79mm)上。四個(gè)金屬螺絲和四個(gè)金屬隔空器用來(lái)固定金屬板于pcb上,其間隔為6mm。

如圖所示,微帶天線的貼片印刷在襯底的下方,其中兩個(gè)槽縫沿著貼片的邊緣蝕刻。由于耦合孔徑(槽縫)的形狀將嚴(yán)重的影響?zhàn)伨€和微帶天線支架的耦合強(qiáng)度,槽縫被設(shè)計(jì)為碟形。SMA頭與饋電點(diǎn)相連,其放置于襯底板的中央,從而能夠減小饋電同軸電纜對(duì)天線輻射性能的影響。

SMA座子的外導(dǎo)體連接到PCB板底部的貼片,而內(nèi)芯連接到PCB板上面的微帶饋線。如圖所示,饋線是中心饋電的微帶線,其有兩個(gè)輸出端。一個(gè)輸出端包括一段二分之一導(dǎo)波波長(zhǎng)延遲線,因此饋線提供了一對(duì)反向輸出,從而為天線進(jìn)行差分饋電。

饋線的每一端連接一個(gè)碟形線,橫跨槽縫,而后直接連接到半橢圓形的平面單極子,從而減小單極子的尺寸,而增強(qiáng)其阻抗匹配。

因此,一部分射頻能量通過(guò)兩個(gè)槽縫從碟形微帶線被耦合到微帶天線中。而其余的能量被傳輸?shù)讲罘逐侂姷膯螛O子中。輸出饋線的相位差在工作頻段范圍內(nèi)是從150度到191度。理想狀態(tài)是反向,而實(shí)際上在一些頻段相位差不是完美的180度,其導(dǎo)致了E平面的方向圖不對(duì)稱,越靠近180度相位差,天線的性能越好。在HFSS中函數(shù)spline用來(lái)移動(dòng)單極子長(zhǎng)邊的中心點(diǎn)來(lái)調(diào)試設(shè)計(jì)。

工作原理:

在所提出的天線中,兩個(gè)互補(bǔ)組合在兩個(gè)不同頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)反向輻射的抵消。其中一個(gè)是微帶天線和差分饋槽縫對(duì)。另一個(gè)是微帶天線和差分饋單極子對(duì)。

如上圖所示,給出了1.38GHz和1.65GHz的電場(chǎng)強(qiáng)度在天線橫截面的幅值。在a圖中,微帶天線中的電場(chǎng)和槽縫的電場(chǎng)比起單極子來(lái)說(shuō)要強(qiáng)很多,這主要是因?yàn)樵?.38GHz,天線的輻射歸因于微帶天線和槽縫。在圖b中,電場(chǎng)在微帶天線以及單極子周圍比起槽縫來(lái)說(shuō)要強(qiáng)很多,左邊槽縫被激發(fā)起來(lái)從而將能量從饋線耦合進(jìn)微帶天線中。因此,在1.65GHz,天線主要的輻射歸因于微帶天線和單極子的組合。隨后,后向輻射在兩個(gè)頻率點(diǎn)被抵消,(1.38GHz和1.65GHz),因此所提出的天線能夠在一個(gè)較寬的頻帶進(jìn)行定向輻射。

這個(gè)天線的增益比起理論上的(參考文獻(xiàn)11)互補(bǔ)天線在boresight 方向的增益要高,這是由于這個(gè)天線等效于互補(bǔ)的天線陣列,其包括了兩個(gè)差分激勵(lì)元(間距0.35倍波長(zhǎng))

如上圖所示:H面的方向圖比起E面來(lái)要寬很多,這是由于前面所提到的等效的兩元陣列沿著E平面放置。

單極子的參數(shù)影響:

單極子的半橢圓的長(zhǎng)和寬對(duì)于前后比以及駐波比有較為敏感的影響。增加其長(zhǎng)和寬,前后比降低,而第二個(gè)后向輻射抵消的頻點(diǎn)偏移到高頻段,而第一后向輻射抵消固定在1.38GHz。而隨著長(zhǎng)和寬的降低,帶內(nèi)阻抗匹配惡化,而第二個(gè)諧振遷移到高頻,另外第一諧振發(fā)生在1.4GHz。這可能是因?yàn)閱螛O子主要影響第二諧振,這也符合前面的證明:在1.65GHz的輻射主要是由于微帶天線和單極子所造成的。

槽縫的參數(shù)影響:

槽縫的寬度影響孔徑耦合的等級(jí),但是比起槽縫的長(zhǎng)度,其影響力更小。因此對(duì)于槽縫的長(zhǎng)度的參數(shù)化學(xué)習(xí),第一和第二諧振隨著槽縫的增長(zhǎng)而分別下降和上升。而在發(fā)生后向輻射抵消的區(qū)域,其頻率降低到更低的頻段。