一種應用于衛星通信的小型雙頻天線設計

劉 敏,卞立安,李延秀,劉 雨,黃元芯,王垚琨,黃楷程

(長沙理工大學 物理與電子科學學院,長沙 410114)

0 引言

在當前的通信時代,衛星通信天線作為無線通信系統的重要組成部分,不斷朝著小型化、低剖面和寬帶化的方向發展。因此,人們對小型化和通用型的收發天線有了更多的需求[1]。

雙頻帶單極子天線因其結構簡單、頻帶寬、體積小、造價低等優點而被廣泛應用于衛星通信、移動通信、無人機和雷達等領域[2]。該天線的優點在于可以減少所需天線的數量和體積,也能夠克服不同頻段之間的干擾。其中,雙頻帶單極子天線能夠有效提高頻帶的范圍和利用率,為天線系統的小型化和集成化提供新的解決方案。近年來,該研究方向受到無線通信領域研究人員的廣泛關注。為了實現天線的雙頻段工作,寄生帶加載[3]、超材料加載[4-7]、開槽并二極管加載[8-9]等技術快速發展。例如:文獻[3]提出了一種采用加載寄生帶的雙頻印刷天線設計,覆蓋2.4GHz和5.2GHz附近的頻段,極大縮小了天線面積,降低了制造天線的成本但這種方法增加了天線設計的復雜性。在文獻[4-7]中,超材料加載雖然實現了多頻段工作,但其帶寬較窄且難以應用。在文獻[8-9]中,開槽加載也可實現雙頻段工作,但這種傳統的開槽方法存在兩個頻段相互影響的缺點。除此之外,還有其它一些采用單極子實現雙頻工作的天線,但由于雙頻段之間的相互影響加大了天線設計的難度且降低了天線的應用性。

上述天線盡管在尺寸或者帶寬上能夠達到不錯的效果,但是并不具備同時滿足尺寸小、帶寬寬以及使用方便的特點。本文在傳統圓形單極子天線的基礎上,提出一款應用于衛星通信的小型化雙頻天線。通過在輻射貼片上切矩形、刻蝕兩個對稱的C型槽和兩個圓環槽,獲得了雙頻效果并實現天線的小型化,雙頻諧振點分別為5.8GHz和13.2GHz。

1 天線結構模型

天線的結構模型如圖1所示,圖1(a)為天線正面,圖1(b)為天線背面,圖1(c)為天線側面。天線介質基板采用厚度為1.6 mm的Rogers RT/durid4350(介電系數εr=3.66、損耗正切tanδ=0.004)[10]。天線饋電采用50Ω阻抗微帶線。整個天線尺寸為16(0.309λe)mm×18.5(0.358λe)mm×1.6(0.031λe)mm,其中,λe為自由空間中5.82GHz下對應波長,計算方法由式(1)所列:

圖1 天線模型結構圖Fig.1 Antenna model structure diagram

(1)

式(1)中,c為光速,f為最低中心頻率,εe是有效介電常數,εe可以由式(2)確定[11]:

(2)

式(2)中,εr為基板的介電系數,h為基板厚度,W是輻射貼片的寬,如式(3)所列:

(3)

C形槽大小的如式(4)所列[12]

(4)

式(4)中,Ls為C形槽內周長。當諧振頻率等于中心頻率時,得到C型槽內周長尺寸。優化后,結構參數值如表1所列。其中,L是輻射貼片的長;Wg是天線削頂后所控矩形槽的寬;Hg是天線輻射貼片上矩形槽的長度,r1是內圓半徑;r2是內圓環槽寬度;r3是外圓環內徑,r4是外圓環外徑;Lf是饋電端口處矩形的長;Wf是饋電端口處矩形的寬;Wx是天線背面地板層的上短邊沿寬;RR是C環槽半徑;d1是天線背面地板層環的內徑。

表1 天線結構參數值Tab.1 Antenna structure parameters

為了更好地理解所設計天線的工作原理,采用電阻、電感、電容(電阻R、電感L、電容C,RLC)集總元件對天線結構進行等效,等效模型如圖2所示。其中,輻射貼片等效于由L2、C2串聯再和L1并聯構成的LC并聯諧振電路;槽孔等效于由C1、L3、50Ω電阻三者并聯組成的RLC并聯諧振電路。通過理論計算獲得了模型的電感、電容值,然后利用兩種不同的仿真微調模型,最終得出所建模型中導納與天線諧振頻點處的實際導納相等的結論[13-14]。電路參數結果優化如表2所列。圖3給出了天線的一種電路仿真和兩種不同電磁仿真的結果。電磁仿真1和電磁仿真2分別由CST軟件和HFSS軟件完成?？梢?二者大體上一致。因此,通過調節天線尺寸能夠控制等效電路的諧振特性,并依據諧振耦合原理來擴展帶寬。

表2 等效電路模型參數值Tab.2 Equivalent circuit model parameters

圖2 天線等效電路圖Fig.2 Antenna equivalent circuit diagram

圖3 天線電路仿真和電磁仿真結果對比Fig.3 Comparison of antenna circuit simulation and electromagnetic simulation results

2 仿真結果與分析

如圖4所示,所設計天線經歷了以下演變過程:首先,如圖4(a)所示,在傳統的圓形單極子天線頂部削頂并挖去一個矩形結構;其次,如圖4(b)所示,在地板上嵌入一對對稱的C型縫隙;再次,如圖4(c)所示,在輻射貼片上刻蝕兩個嵌套的圓環;最后,如圖4(d)所示,天線演變為前后都有槽的最終結構。

圖4 天線結構演變過程Fig.4 Evolution of antenna structure

圖5展示了四種結構下天線回波損耗的對比?？梢钥闯?天線的主要諧振頻率集中在5.8GHz和13.2GHz處附近;平均回波損耗分別約為-20dB和-40dB,表明天線在衛星通信下的C波段和Ku波段有良好的性能;在X波段下,只有C槽天線和前后都開槽天線最終產生了中心頻率為10.5GHz的陷波帶,實現了雙頻效果。對稱的C型縫隙能夠產生X波段下的陷波,減少信號干擾,提高頻譜利用率。同時,在C型縫隙和圓環縫隙的共同影響下,天線獲得了良好的性能。將輻射貼片上的圓環縫隙設計為嵌套結構,同樣減小了輻射貼片的面積。在5.8GHz中心頻點下,阻抗帶寬為4.49GHz,相對阻抗帶寬為77%,回波損耗從-14.79dB降低到-24.88dB;在13.2GHz中心頻點下,阻抗帶寬為1.74GHz,相對阻抗帶寬為13.2%,回波損耗從-24.84dB降低到-54.98dB,提高了天線的性能。

圖5 四種模式天線回波損耗對比圖Fig.5 Comparison of four modes of antenna return loss

由于開槽產生的耦合電流會改變天線表面電流路徑[15],本文探究了開槽對天線性能的影響。圖6為天線表面電流分布圖。從圖6中可以看出,開槽引起天線槽周圍電流密度增加,產生了耦合電流,并改變了電流的分布,開辟了新的電流路徑,進而產生了新的諧振點。在傳統的圓形單極子天線的基礎上,通過引入圓形環槽和C形槽,產生了環繞槽側邊的較長電流路徑,相當于在原高頻諧振點和低頻諧振點之間引入了一個中頻諧振點。槽的尺寸變化會擾動電流路徑,導致兩個明顯的諧振點出現。此外,槽形的改變對低頻諧振點影響不大,但會使高頻諧振點向更高頻率移動。這是因為增加圓形環槽的寬度只影響槽內側電流路徑,而槽外側電流路徑不受影響,因此對應的諧振頻率會增加。通過在天線和地板分別引入圓形環槽和雙C型槽,可以進一步增強槽邊緣處的電流幅度,從而增強了電磁場能量的持續輻射。同時,饋線周圍的電流幅度也較高,確保了電流的良好傳輸。這樣的設計改進進一步提高了電磁場的輻射效果。由于槽的存在及其之間的耦合效應,輻射貼片上的電流路徑與原始貼片不同,從而形成了新的電流路徑,產生了13.2GHz的諧振點。在該諧振點處,天線電流明顯集中于槽邊緣,并在削頂矩形凹口邊緣振蕩,地板上的雙C型槽輻射效應尤為顯著。然而,由于縫隙耦合的存在,可能會導致天線后向輻射過大,對天線性能造成一定影響,但也在一定程度上擴展了天線的帶寬。

圖6 天線表面電流分布圖Fig.6 Antenna surface current distribution diagram

天線參數的變化將直接影響天線的性能,特別是C環形槽、圓環形槽和矩形槽的長度。下面將闡述不同類型參數對天線性能的影響。圖7展示了對內圓環槽寬度r2對天線S11性能的影響。從圖7中可見,天線的整體帶寬變化不大;諧振頻點略有偏移;諧振深度變化顯著。這說明r2的改變直接影響天線的阻抗匹配。在圖8中,C環槽半徑RR主要影響著高頻諧振點。隨著RR的增加,高頻諧振位置和深度大幅波動。因此,調整C環槽半徑尺寸可以在不影響低頻諧振的情況下改變天線的高頻諧振特性。圖9描述了天線輻射貼片上矩形槽的長度Hg對天線S11參數性能的影響?？梢钥闯?矩形槽的長度也主要影響著高頻諧振點?？傊?綜合調節天線內圓環槽寬度r2、C環槽半徑RR以及矩形槽長度Hg能夠有效控制雙頻諧振深度和兩頻點間距。

圖7 不同r2對應的S11值Fig.7 S11 values corresponding to different r2

圖8 不同RR對應的S11值Fig.8 S11 values corresponding to different RR

圖9 不同Hg對應的S11值Fig.9 S11 values corresponding to different Hg

在圖10中展示了該天線在5.8GHz和13.2GHz處的E面和H面方向圖。從圖10中可以看出,在13.2GHz處,天線在E面呈現出圓形全向輻射特性;在5.8GHz處輻射呈現出均勻對稱的“啞鈴型”。隨著頻率的升高,天線在H面方向圖逐漸變差,但總體上仍保持雙頻寬帶天線的輻射特性。

圖10 天線方向圖對比Fig.10 Comparison of antenna direction

在圖11中顯示了天線的增益和軸比。從圖中可以觀察到,在天線的工作頻帶內增益的變化范圍為2.8dBi～5.9dBi。在13.59GHz處,天線獲得最高增益5.9dBi。同時,圖中顯示的天線軸比在所需工作頻段內小于3dB,符合圓極化天線的特點[14]。

圖11 天線增益和軸比圖Fig.11 Antenna gain and axis ratio diagram

最后,表3對本文的雙頻天線與其他已發表的雙頻天線性能進行了對比。文獻[3]和文獻[6]中的天線雖然增益較高,但帶寬較窄。文獻[4]和文獻[7]中的天線尺寸雖小,但增益較低且帶寬較窄。文獻[5]中的天線帶寬較寬且尺寸較小,但增益相對較低。盡管文獻[8]中的天線性能較好,但其使用了更多二極管,導致結構復雜且制造成本提高。因此,這些天線在工作帶寬、增益或尺寸方面存在一定的不足,無法很好地滿足現代無線通信系統對較大寬帶、較高增益和較小尺寸的需求。綜合比較結果表明,本文的天線結構緊湊、帶寬大、增益較高具有較好性能。

表3 本文天線與參考文獻中天線對比Tab.3 Comparison between the antenna in this paper and the antenna in the references

3 結論

本文提出了一種應用于衛星通信的小型化雙頻天線,該天線以傳統的圓形單極子天線為基礎,通過削頂、矩形切割和開槽加載等多種處理方式,實現了天線尺寸的縮小和帶寬的擴展。同時,提出了其等效電路模型,對其輻射原理進行了深入分析,并利用電磁仿真軟件進行了仿真研究。結果表明,該天線尺寸緊湊、性能穩定,具有高增益、寬帶寬和圓極化特性,用于衛星通信領域。雖然單極子天線固有局限性,只能在特定方向上接收和發射無線電波,但后續利用天線智能算法,提高其應用范圍和精度。