互补天线分析仿真(Complementary Antenna )

2016-11-05  by:CAE仿真在线  来源:互联网

A Low-Profile, Low-Backlobe and Wideband Complementary Antenna for Wireless Application 6939637

贴片天线的主要限制是窄带宽。带宽增强技术有:孔径耦合馈电、容性馈电、堆叠贴片、U型槽贴片、L型探针馈电、E型贴片和传导通孔等。然而这些技术增加了天线的高度和体积,同时降低了天线的其他特性。例如这些设计的辐射方向图经常随着频率大幅度变化,并且导致较高的交叉极化电平和较强的后向辐射。


互补天线,互补源: 如果两个源拥有相同的振幅,并且通过合适的相位相结合,其所产生的辐射方向图将在E面和H面相同,另外其后向辐射将为零。前人有用偶极子+槽缝天线或者单极子+槽缝天线来实现这种概念。

ME偶极子天线就是这种互补型天线。对比微带天线,ME天线拥有有较宽的阻抗带宽和稳定的方向图。然而ME偶极子的重要的缺陷就在于其高度太高约为0.25倍波长。

参考文献 19 -23 好好再读读,然后写成博客。

本文提出了一种新的互补型天线,其由单极子、槽缝、贴片天线组合而成。这个天线放弃使用反射面和地平面,但是在整个频段都是单向辐射。而所提出的天线的高度仅仅0.035倍波长,这样其高度远远小于宽带微带贴片天线(约0.1倍波长),也就是说,这个天线提供了宽的阻抗带宽、平直的增益和稳定的方向图。

一般来说,贴片天线的地平面比起辐射贴片的尺寸要大,从而产生单向辐射,如果地平面和辐射贴片相同,其辐射朝向为双向,等效于两个平行完美磁流。其方向图在E面是椭圆形,在H面是8字形。(下左图)

Complementary wbrAntenna
Complementary wbrAntenna

如上右图所示,一对差分馈电的槽缝放置于贴片上,其辐射方向图在E面是8字形,在H面是椭圆形。这个天线实现了另一个电偶极子。

通过结合一个微带天线,一对单极子和一对槽缝,形成了一个新的互补天线。
Complementary wbrAntenna


如上图所示,微带天线是由两个同样大小的贴片组成。其中一个是矩形金属片,另一个同槽缝、单极子和微带馈线一起,建立于Duroid 5870 电介质衬底(相对介电常数2.33,厚度0.79mm)上。四个金属螺丝和四个金属隔空器用来固定金属板于pcb上,其间隔为6mm。

如图所示,微带天线的贴片印刷在衬底的下方,其中两个槽缝沿着贴片的边缘蚀刻。由于耦合孔径(槽缝)的形状将严重的影响馈线和微带天线支架的耦合强度,槽缝被设计为碟形。SMA头与馈电点相连,其放置于衬底板的中央,从而能够减小馈电同轴电缆对天线辐射性能的影响。

SMA座子的外导体连接到PCB板底部的贴片,而内芯连接到PCB板上面的微带馈线。如图所示,馈线是中心馈电的微带线,其有两个输出端。一个输出端包括一段二分之一导波波长延迟线,因此馈线提供了一对反向输出,从而为天线进行差分馈电。

馈线的每一端连接一个碟形线,横跨槽缝,而后直接连接到半椭圆形的平面单极子,从而减小单极子的尺寸,而增强其阻抗匹配。

因此,一部分射频能量通过两个槽缝从碟形微带线被耦合到微带天线中。而其余的能量被传输到差分馈电的单极子中。输出馈线的相位差在工作频段范围内是从150度到191度。理想状态是反向,而实际上在一些频段相位差不是完美的180度,其导致了E平面的方向图不对称,越靠近180度相位差,天线的性能越好。在HFSS中函数spline用来移动单极子长边的中心点来调试设计。

工作原理:
在所提出的天线中,两个互补组合在两个不同频率来实现反向辐射的抵消。其中一个是微带天线和差分馈槽缝对。另一个是微带天线和差分馈单极子对。

Complementary wbrAntenna



如上图所示,给出了1.38GHz和1.65GHz的电场强度在天线横截面的幅值。在a图中,微带天线中的电场和槽缝的电场比起单极子来说要强很多,这主要是因为在1.38GHz,天线的辐射归因于微带天线和槽缝。在图b中,电场在微带天线以及单极子周围比起槽缝来说要强很多,左边槽缝被激发起来从而将能量从馈线耦合进微带天线中。因此,在1.65GHz,天线主要的辐射归因于微带天线和单极子的组合。随后,后向辐射在两个频率点被抵消,(1.38GHz和1.65GHz),因此所提出的天线能够在一个较宽的频带进行定向辐射。

这个天线的增益比起理论上的(参考文献11)互补天线在boresight 方向的增益要高,这是由于这个天线等效于互补的天线阵列,其包括了两个差分激励元(间距0.35倍波长)

Complementary wbrAntenna




如上图所示:H面的方向图比起E面来要宽很多,这是由于前面所提到的等效的两元阵列沿着E平面放置。

单极子的参数影响:
单极子的半椭圆的长和宽对于前后比以及驻波比有较为敏感的影响。增加其长和宽,前后比降低,而第二个后向辐射抵消的频点偏移到高频段,而第一后向辐射抵消固定在1.38GHz。而随着长和宽的降低,带内阻抗匹配恶化,而第二个谐振迁移到高频,另外第一谐振发生在1.4GHz。这可能是因为单极子主要影响第二谐振,这也符合前面的证明:在1.65GHz的辐射主要是由于微带天线和单极子所造成的。

槽缝的参数影响:

槽缝的宽度影响孔径耦合的等级,但是比起槽缝的长度,其影响力更小。因此对于槽缝的长度的参数化学习,第一和第二谐振随着槽缝的增长而分别下降和上升。而在发生后向辐射抵消的区域,其频率降低到更低的频段。



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