互補天線分析仿真（Complementary Antenna ）

貼片天線的主要限制是窄帶寬。帶寬增強技術有: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型貼片和傳導通孔等。然而這些技術增加了天線的高度和體積,同時降低了天線的其他特性。例如這些設計的輻射方向圖經常隨著頻率大幅度變化,并且導致較高的交叉極化電平和較強的后向輻射。

互補天線,互補源: 如果兩個源擁有相同的振幅,并且通過合適的相位相結合,其所產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+槽縫天線來實現(xiàn)這種概念。

ME偶極子天線就是這種互補型天線。對比微帶天線,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。

參考文獻 19 -23 好好再讀讀,然后寫成博客。

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

一般來說,貼片天線的地平面比起輻射貼片的尺寸要大,從而產生單向輻射,如果地平面和輻射貼片相同,其輻射朝向為雙向,等效于兩個平行完美磁流。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。這個天線實現(xiàn)了另一個電偶極子。

如上圖所示,微帶天線是由兩個同樣大小的貼片組成。其中一個是矩形金屬片,另一個同槽縫、單極子和微帶饋線一起,建立于Duroid 5870 電介質襯底(相對介電常數(shù)2.33,厚度0.79mm)上。四個金屬螺絲和四個金屬隔空器用來固定金屬板于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,其中兩個槽縫沿著貼片的邊緣蝕刻。由于耦合孔徑(槽縫)的形狀將嚴重的影響?zhàn)伨€和微帶天線支架的耦合強度,槽縫被設計為碟形。SMA頭與饋電點相連,其放置于襯底板的中央,從而能夠減小饋電同軸電纜對天線輻射性能的影響。

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

饋線的每一端連接一個碟形線,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,而增強其阻抗匹配。

因此,一部分射頻能量通過兩個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是從150度到191度。理想狀態(tài)是反向,而實際上在一些頻段相位差不是完美的180度,其導致了E平面的方向圖不對稱,越靠近180度相位差,天線的性能越好。在HFSS中函數(shù)spline用來移動單極子長邊的中心點來調試設計。

工作原理:

在所提出的天線中,兩個互補組合在兩個不同頻率來實現(xiàn)反向輻射的抵消。其中一個是微帶天線和差分饋槽縫對。另一個是微帶天線和差分饋單極子對。

如上圖所示,給出了1.38GHz和1.65GHz的電場強度在天線橫截面的幅值。在a圖中,微帶天線中的電場和槽縫的電場比起單極子來說要強很多,這主要是因為在1.38GHz,天線的輻射歸因于微帶天線和槽縫。在圖b中,電場在微帶天線以及單極子周圍比起槽縫來說要強很多,左邊槽縫被激發(fā)起來從而將能量從饋線耦合進微帶天線中。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,后向輻射在兩個頻率點被抵消,(1.38GHz和1.65GHz),因此所提出的天線能夠在一個較寬的頻帶進行定向輻射。

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

如上圖所示:H面的方向圖比起E面來要寬很多,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和寬對于前后比以及駐波比有較為敏感的影響。增加其長和寬,前后比降低,而第二個后向輻射抵消的頻點偏移到高頻段,而第一后向輻射抵消固定在1.38GHz。而隨著長和寬的降低,帶內阻抗匹配惡化,而第二個諧振遷移到高頻,另外第一諧振發(fā)生在1.4GHz。這可能是因為單極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,但是比起槽縫的長度,其影響力更小。因此對于槽縫的長度的參數(shù)化學習,第一和第二諧振隨著槽縫的增長而分別下降和上升。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。