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一种小型化双频圆极化微带天线设计(上)

2017/2/14    来源:互联网    作者:程益福      
关键字:天线设计  仿真  测试分析  
本文通过分析双频圆极化微带天线,提出了一种覆盖北斗卫星导航系统频段的双频双圆极化微带缝隙天线。本文给出了该设计的具体步骤及实验结果,实测结果表明了该设计的可行性。

2.2天线参数的分析

    本节提出的双频双圆极化微带缝隙天线结构均拥有多个几何参数。天线的两个工作频段大体上由内外两个环形缝隙所决定。在根据频率确定两环形缝隙的半径之后,需要调整一些关键参数以获得理想的双频双圆极化特性。所以,我们必须从由参数变化引起的天线阻抗匹配以及圆极化性能的改变开始研究,然后得到最佳理想的结果。

    Ls是微带馈线终端开路短截线的长度。在前期的设计中,我们了解了微带线缝隙耦合馈电的原理,该开路短截线的长度决定了其引入的电抗大小,从而影响最终的阻抗匹配。我们还根据仿真的结果,得出了Ls的变化会影响高低频段的反射系数。当然,它们之间存在不同点。在低频段,Ls的变化引起反射系数在大小上的整体变化,而在高频段,Ls的变化带来的则是反射系数相对于频率的平移。通过观察天线轴比曲线的变化情况时,我们会发现,Ls对于圆极化性能的影响在高频段显得尤为明显,轴比曲线随Ls的增大略微向低频平移,Ls的变化对于低频段圆极化性能的影响则可以忽略不计。总体上看,微带馈线终端开路短截线的长度Ls对于天线阻抗匹配的影响要大于其对圆极化性能的影响。

    t和s分别是天线内外环形缝隙上方形刻蚀槽的边长。刻蚀槽实际上也是一种“分离简并单元”,其作用是激励起两个辐射正交极化的简并模从而实现圆极化,因此其尺寸大小主要决定天线的圆极化性能。但刻蚀槽的大小并非对于天线的阻抗匹配就没有影响。可以预见,刻蚀槽的尺寸越大,环形缝隙的平均周长就越大,环形缝隙的谐振频率就越低。然而,刻蚀槽的尺寸大小与于天线圆极化性能之间存在的关系,仍是我们必须关注的。我们根据前期设计的仿真图形,可以得出,当刻蚀槽边长取值向大或向小偏离某最优值时,轴比均产生整体上的恶化。

3 模型的建立与仿真

3.1天线的模型

    根据前期的设计思路和具体的数据,在HFSS软件上画出双频双圆极化微带缝隙天线的模型图。刚开始做出来的模型,效果不太好,为了后期的仿真结果更加符合实际情况,对模型进行了很多次的修改,最后的模型3-1中两个图形所示,分别呈现的是模型的上表面以及下表面的情况。

图3-1 天线的模型

图3-1 天线的模型

3.2天线的仿真

    在天线相关性能的描述中,S参数是一个非常常见且十分重要的概念,它可以从一定的程度上反映出天线性能的好坏。正常而言,我们都参考S11的值,通过观察它的大小,来分析相关天线的性能好坏。当S11的值很大的时候,就证明天线的性能很一般。因此,我们就希望得到的S11的值很小,这也就代表着设计的可行性。天线的驻波比描述的是天线的匹配状况,当天线的匹配情况不好时,反射的功率就多,驻波比越大,驻波比数值在1到无穷,一般工业要求驻波比小于2即可。

    前期的仿真,因为设计的不严谨、操作的不科学以及没有进行优化等,仿真结果跟理想状态相去甚远,完全达不到设计要求,如下图3-2所示的是前期的仿真结果图。设计的是双频天线,但是在S11上,我们却得到了三个频段,这一结果,明显不符合设计要求。

    考虑到具体的实际情况,通过不断地分析比较,得到了上表1中的天线结构参数。根据这些参数,不断对模型进行优化,最终得到了图3-3所示的回波损耗以及驻波比的仿真图。

图3-2 优化前的曲线

图3-2 优化前的曲线

责任编辑:吴星星
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