新型雙組分雙模式雙控式蘑菇陣列的輻射特性研究

零階諧振天線隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。天線作為發(fā)射和接收電磁波的設(shè)備,處于無(wú)線通信和探測(cè)系統(tǒng)的最前端,其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有非常重要的影響。微帶天線以其低輪廓、可共形、易集成等頗具特色的優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)在小型化天線開(kāi)發(fā)應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭;而基于復(fù)合左右手傳輸線(compositeright/lefttransmissionline,CRLHTL)的零階諧振天線(Zeroth-orderResonantAntenna)由于具有剖面低、尺寸小、可以實(shí)現(xiàn)全向輻射的特點(diǎn),同樣也引起了研究人員的廣泛關(guān)注。蘑菇形結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的微帶結(jié)構(gòu)的零階諧振器。由于零階諧振器的諧振頻率和諧振腔的物理長(zhǎng)度之間沒(méi)有絕對(duì)依賴關(guān)系,因此從理論上說(shuō),尺寸可以做到無(wú)限小。文獻(xiàn)研究了零階諧振天線,這類天線結(jié)構(gòu)具有類似單極子天線的輻射方向圖,同時(shí)保持了微帶天線的低剖面特性。本文針對(duì)傳統(tǒng)蘑菇陣列由于饋電點(diǎn)偏離陣列幾何中心導(dǎo)致的交叉極化增大及方向圖不對(duì)稱等問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款新型蘑菇形小型化全向天線,所設(shè)計(jì)的天線工作于2.27GHz,天線單元結(jié)構(gòu)尺寸為0.15λ0×0.15λ0×0.01λ0,在方位面實(shí)現(xiàn)了全向輻射,同時(shí)保持了微帶天線的重量輕、體積小、低剖面的特性。1采用金屬片和核區(qū)中心組陣方式圖1(a)給出了傳統(tǒng)的蘑菇型諧振結(jié)構(gòu),它由一個(gè)矩形的金屬貼片通過(guò)一個(gè)金屬化過(guò)孔連接到地面構(gòu)成,但其不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)天線輻射功能。N×N個(gè)蘑菇陣列仍然是一個(gè)零階諧振結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示,左手電容效應(yīng)由相鄰金屬片間的耦合提供,左手電感效應(yīng)由接地的金屬柱提供,右手電容效應(yīng)由金屬片和地板之間的耦合提供,右手電感效應(yīng)由金屬片上的電流提供。這種組陣方式由于饋電點(diǎn)的偏移會(huì)導(dǎo)致距離輻射貼片中心相同點(diǎn)的表面電場(chǎng)方向雖然相同,但是大小有差別,這就導(dǎo)致在遠(yuǎn)場(chǎng)上合成的方向圖不對(duì)稱,交叉極化也因此增大。圖2(a)為本文所設(shè)計(jì)的蘑菇型零階諧振器單元結(jié)構(gòu)圖,仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)天線輻射特性,且具有和傳統(tǒng)零階諧振結(jié)構(gòu)相類似的輻射特性,但同樣由于上述原因存在方向圖不對(duì)稱和交叉極化大的缺點(diǎn);圖2(b)為其陣列形式,這種組陣方式避免了傳統(tǒng)蘑菇陣列由于饋電點(diǎn)偏離天線中心而導(dǎo)致的上述問(wèn)題。通過(guò)分析可以很容易得到新型蘑菇陣列天線的等效電路圖,如圖2(c)所示。新型蘑菇結(jié)構(gòu)采用同軸線方式饋電,中心的金屬貼片通過(guò)縫隙耦合與四個(gè)正方形金屬貼片相聯(lián)。左手電容效應(yīng)由金屬片間的耦合提供,左手電感效應(yīng)由接地的金屬柱提供,右手電容效應(yīng)由金屬片和地板之間的電壓梯度提供,右手電感效應(yīng)由沿貼片方向流動(dòng)的電流產(chǎn)生。2零階諧振天線的仿真下面分析新型蘑菇結(jié)構(gòu)零階諧振天線的輻射特性。天線結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。采用相對(duì)介電常數(shù)為2.2、厚度為0.8mm的RogersRT/duroid5880介質(zhì)板,損耗角正切0.0009,貼片總長(zhǎng)度l1為40mm,耦合縫隙寬度w1為0.55mm、l2為1.1mm,中心十字形線寬w2為2.5mm,單個(gè)正方形貼片長(zhǎng)度為17.75mm,金屬柱位于貼片對(duì)角線上,距x、y方向耦合縫隙的距離均為a。圖3給出了天線陣列頂層貼片的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果圖。根據(jù)CRLHTL諧振腔理論,當(dāng)諧振腔處于零階諧振時(shí),諧振頻率和腔的物理長(zhǎng)度之間沒(méi)有絕對(duì)的依賴關(guān)系,β0=0,波長(zhǎng)λg=∞,即波長(zhǎng)為無(wú)窮大,此時(shí)諧振腔內(nèi)各處的場(chǎng)強(qiáng)相等,且均以相同的頻率變化,沒(méi)有波峰、波谷和波節(jié)。圖4則給出了地板上的電流分布仿真結(jié)果圖,在零階諧振模式下,零階諧振天線陣列上的電流分布總的來(lái)看由中心指向邊沿,呈放射狀分布。由天線中心出發(fā)的徑向電流的輻射可以看作是電偶極子天線的輻射,與理論分析結(jié)果一致。為研究該新型蘑菇結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)與其輻射特性的關(guān)系,通過(guò)改變某一參數(shù)值而固定其他參數(shù),使用HFSS進(jìn)行軟件仿真。在此,僅選擇與輻射性能變化幅度較大的兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明,仿真中其他參數(shù)設(shè)置與上同。r為介質(zhì)板通孔的直徑,a為通孔距x、y方向耦合縫隙的距離。保持其余參數(shù)不變,依次改變直徑和距離的大小(r=0.2mm,0.4mm,0.6mm,0.8mm;a=3.5mm,4.5mm,5.5mm,6.5mm)得到新結(jié)構(gòu)的回波損耗隨r變化的曲線,如圖5(a)和(b)所示。觀察發(fā)現(xiàn),隨著直徑變大,諧振頻率逐漸向高頻移動(dòng),隨著距離增大,諧振頻率也逐漸變大。圖6給出了天線在零階諧振頻率處天線E面和H面歸一化方向圖的計(jì)算結(jié)果,從圖中可以看出看出天線實(shí)現(xiàn)了方位面(H面)的全向輻射,同時(shí)在xoz和yoz面(E面)坐標(biāo)方向圖為“8”字形,具有類似偶極子天線的輻射方向圖。由天線方向圖的計(jì)算結(jié)果可知,與文獻(xiàn)[11-12]中設(shè)計(jì)的蘑菇結(jié)構(gòu)天線以及傳統(tǒng)的蘑菇結(jié)構(gòu)天線相比,新型零階諧振天線具有更對(duì)稱的方向圖(前三者均偏離中心10°左右,而本文的則近似達(dá)到了0°)和更低的交叉極化度(文獻(xiàn)交叉極化抑制度20dB,文獻(xiàn)可以做到25dB,而本文則達(dá)到了35dB)。3天線性能測(cè)試通過(guò)三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS的優(yōu)化設(shè)計(jì),天線最終的尺寸為:l1=40mm,w2=2.5mm,w1=0.55mm,l2=1.1mm,a=4.5mm,4個(gè)金屬化過(guò)孔的直徑為0.6mm。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性,對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物加工和測(cè)試,圖7為其加工實(shí)物圖。圖8給出了新型蘑菇陣列天線反射系數(shù)的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,由圖8可知,天線的零階諧振頻率為2.27GHz(中心頻率),10dB回波損耗帶寬達(dá)1.15%,比文獻(xiàn)提高28.6%,實(shí)測(cè)結(jié)果帶寬更寬;由圖6所示中心頻率的天線方向圖可知,天線在xoy面(方位面)實(shí)現(xiàn)了全向輻射,方位面的不圓度小于0.15dB,比文獻(xiàn)降低0.08dB,同時(shí),在xoz面和yoz面(俯仰面)具有類似偶極子天線的輻射方向圖。在中心頻率2.27GHz處,天線最大增益為1.44dB。由圖7所示的天線實(shí)物圖可知,單元結(jié)構(gòu)的尺寸為0.15λ0×0.15λ0×0.01λ0,陣列結(jié)構(gòu)尺寸為0.3λ0×0.3λ0×0.01λ0。與傳統(tǒng)諧振天線相比,單元結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)天線輻射性能,簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)蘑菇結(jié)構(gòu)必須組陣設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,且所設(shè)計(jì)天線實(shí)