基于谐振式反射器的UHF/S双频双定向蝶形天线

引 言

随着无线电技术的不断进步,无线通信系统在近十年得到了迅猛发展.而当今社会日益复杂的空间电磁环境,无疑对天线的定向性提出了更高的要求.定向天线作为一种在某一个方向上的辐射极强,而在其它方向上很弱的天线[1-2],具有提高天线的辐射功率,增加保密性、传输距离以及抗干扰能力[3]等优点而被广泛应用于卫星通信[4]、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)[5]、探地雷达[6]以及生物电磁工程[7-8]等系统中.

目前,使天线获得定向性的方法可分为非反射器方法和采用反射器方法两种.非反射器天线如利用天线自身端射特性的对数周期天线、Vivaldi天线[9-10],或是利用介质使电磁波聚束的透镜天线[11],又或是利用强谐振结构的微带天线[12]等.对数周期天线和Vivaldi天线具有很宽的阻抗带宽,而且在工作频带内增益较稳定,前后比(Front-Back Ratio, FBR)较高,但是其尺寸和重量较大,而且存在剖面大的缺点;透镜天线虽然能够获得相当好的前后比,但存在成本高、体积大、加工难度大等问题;而微带天线固有的高Q值导致其较窄的带宽.

使用反射器的方法是将后向辐射反射到前向,并通过反射波与直射波在远场同相叠加的方式达到提高定向性的目的.常用的反射板主要有理想电导体(Perfect Electric Conductor, PEC)反射板[13-15]和人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)反射板[16-17].由于PEC对电磁波具有180°的反射相位,其与天线之间约需要λ/4奇数倍(λ为自由空间波长)的距离,这使得其作为天线的反射器特别是应用在低频(如UHF频段)时需要很大的剖面,文献[13]与[15]的剖面分别达到了0.25λ和0.8λ.由于λ/4的限制,天线的带宽不会很宽;同时,为取得较好的定向性,PEC反射板的尺寸也需要较大,不利于小型化.AMC具有在特定频率实现同相反射的特点,可以实现很低的剖面,但是由于其强谐振特性会致使天线频带较窄.为降低天线与AMC间的耦合,天线与AMC间仍需要一定的距离,而且需要多个周期才能实现良好功能,其平面尺寸可能较大.文献[17]的相对带宽只有24.6%,虽然天线的剖面只有0.02λ,但是天线的面积为1.1λ×1.1λ.

而文献[18]提出的谐振式反射器(Resonance based Reflector, RBR)是基于谐振效应的,具有在很宽频带内同相反射的特性,使RBR能够在比较宽的频带内获得比较好的定向性;同时,这种反射器不需要周期结构,因此面积也会相对较小.另一方面,宽带的反射器需要应用到宽带的天线中才能实现宽带的定向辐射特性.蝶形天线因为具有结构简单、容易加工、平面结构、边射特性和超宽带宽等特点非常适合应用到本文的研究中[19-20].

此外,双频双向天线也有重要的应用,如双向单中继协同通信[21],矿井双工接力通信[22]和无线局域网通信(Wireless Local Area Network, WLAN) [23]. 文献[22]的天线采用了多层介质板、双层背靠背矩形贴片和双层背靠背圆贴片实现双频双定向辐射.文献[23]的天线采用双面印刷偶极子和微带结构多工器来实现双频双向辐射.

因此,本文应用RBR设计基于蝶形天线的双频双定向天线.首先设计一个平面馈电的双向辐射蝶形UHF/S波段超宽带天线,然后将两个不同大小(工作频率不同)的环形RBR分别置于天线的上方(+z)和下方(-z).研究发现一个RBR对另一个RBR工作频段的影响很小,从而使得天线具有双频双定向辐射特性,即天线在其工作频带的UHF低频段主辐射方向指向+z轴,称为FFB(Front-fire Band),而在S高频段主辐射方向指向-z轴,称为BFB(Back-fire Band).仿真与实测结果表明,该天线的百分比带宽为112%(0.8～2.85 GHz, 115%),前后比带宽(FBR> 5 dB)分别为0.8 ～ 1.45 GHz(FFB, 58%)和1.85 ～2.82 GHz(BFB, 41.6%).在加载了两个反射器的情况下,该天线的剖面仅为0.2λ,满足低剖面的要求.另外,由于谐振式反射器的前后比峰值点可以通过改变反射器的参数灵活调控,因此这种天线设计方法可应用到不同频段不同类型的中继/接力通信天线的设计.

1 RBR研究

1.1 RBR理论介绍

RBR为微波谐振器,可等效为RLC谐振电路,因此其反射系数幅值与反射相位的公式分别可写为[17]

(1)

(2)

式中:ΓL为反射系数的幅值;ω为角频率;φL为反射相位;R、L、C分别为RBR的等效分布电阻、电感和电容;Z0为特征阻抗.

当一束平面波垂直入射至一表面时,不同的材料会表现出不同的反射相位.令反射器的反射相位为φL,平面波垂直入射模型如图1所示.各表面的反射相位公式可写为

(3)

式中:Zs为表面阻抗;η为自由空间波阻抗.

图1 平面波入射模型

从图1可看出,PEC和AMC的表面阻抗分别为0与∞,由式(3)可得它们的反射相位分别为180°和0°,这样,作为反射器时,PEC必须距离天线λ/4,而AMC则可以与天线靠得很近.而由式(1)和(2)可知,RBR的阻抗是介于0与∞之间的一个有限值,由于RBR的谐振效应,其能在较宽频段内满足这样的阻抗,因此其反射相位在较宽频带内在0与π之间.当RBR作为天线反射器时,其与天线的距离就可以小于λ/4,从而达到低剖面的目的.

1.2 RBR设计实现

本文采用文献[18]中的圆环型RBR作为天线的反射器.两个反射器分别为RBR 1和RBR 2,如图2所示.令RBR 1的半径rg1为70 mm,宽度rw1为10 mm,RBR 2的半径rg2为32 mm,宽度rw2为10 mm,并仿真它们的反射系数幅值及相位.

(a) RBR 1的示意图 (b) RBR 2的示意图
图2 谐振式反射器(RBR)

仿真示意图如图3(a)所示,图中,端口1是激励端口,距离反射器的距离为ha,该距离在实际中就是反射器与天线的距离;端口2用来模仿一个无限长的波导,以吸收透过反射器的电磁波.仿真模型如图3 (b)所示,其中,±x方向的边界条件被设置成PEC边界以支持X极化的电磁波,±y方向的边界条件被设置成理想磁导体(Perfect Magnetic Conductor, PMC)边界,而±z方向设置为开放边界以方便电磁波的激励与吸收.需要指出的是,这里研究RBR的特性时在y方向上使用了周期边界条件,而本文天线中使用的RBR却并非周期排布.这样的仿真模型虽然与RBR在天线中实际应用时的环境有一定出入,但是这种模型用来研究RBR的特性是没有问题的.这是因为正如在文献[24]所指出的,RBR是局域谐振结构,其特性主要由其单元结构决定,而周期的排布影响很小.因此,采用图3(b)所示模型研究RBR的特性是可行的.

(a) RBR 仿真示意图 (b) 仿真模型
图3 仿真模型示意图

RBR 1与RBR 2距离端口1的距离ha1和ha2分别被设置为50 mm和15 mm.仿真结果如图4所示,可以看到RBR 1和RBR 2分别谐振在0.77 GHz和2.07 GHz,同相反射带分别为0.76 ～1.62 GHz与2.19 ～ 2.74 GHz,同时,在各自的同相反射带内,RBR 1与RBR 2的反射系数幅值均足以较好地反射各自谐振频率附近的电磁波.而且从|S11|曲线可以看出,RBR 1和RBR 2对对方工作频带的反射很小,因而不会影响对方的工作.但是RBR 1

和RBR 2的同相反射频带并不能完全叠加,在1.62 ～ 2.19 GHz时会出现一个真空区,这段频率并不属于任何一个圆环型反射器的同相反射带,导致实际应用时天线在这段频率的定向性可能恶化,因此,天线设计时需要对RBR 2进行进一步研究.

(a) RBR 1

(b) RBR 2
图4 反射器的反射特性

2 天线设计及实测结果

2.1 改进型平面馈电蝶形天线设计

蝶形天线是对称天线,可利用微带巴伦对天线进行平衡馈电,这种馈电方式能够获得良好的阻抗特性和辐射特性.在前述研究中巴伦垂直于天线平面放置 [18],其长度至少是其起始频率对应波长的1/4,因此往往会大于天线的剖面,这会占用额外的空间,还可能引入测量误差.因此,有必要对天线的馈电方式进行改进.由于蝶形天线在两个振子之间会留有较大的空隙,因此改为平面巴伦.为叙述方便,称该天线为平面巴伦馈电的蝴蝶结天线(Bow-tie Antenna Fed by Planar Balun, BA-PB).

图5 BA-PB示意图

BA-PB结构如图5所示,两个扇形振子分别敷设于介质基板的两面,分别连接巴伦的信号线和地线,图中黄色部分为正面金属,红色部分为背面金属,对天线进行倒圆角处理以改善阻抗特性[25],同时采用圆环加载的方法[26]进一步改善天线的阻抗特性,圆环敷设在另一块介质板上以完成加载.令敷设圆环的介质板为Sub 1,敷设天线的介质板为Sub 2,图中黑色虚线为Sub 1的外轮廓,蓝色虚线圆环为加载的金属圆环;另外,在-y轴方向上,Sub 2的长度比Sub 1多出一些,这是为了尽量提高巴伦的性能,同时为SMA接头留下焊接空间.该设计中所有介质板均采用厚度为1 mm的F4B-M,其相对介电常数为2.65.图5中所有参数的值及其含义如表1所示.

表1 BA-PB参数概览

BA-PB的仿真模型和|S11|如图6所示,可见天线由两层介质板层叠而成,且BA-PB具有很宽的阻抗带宽,其工作频带为0.62 ～ 2.65 GHz(110.3%),其中起始频率0.62 GHz几乎对应加载环的谐振频率.

虽然BA-PB的阻抗带宽已经足够宽,但是如图6所示,其在2.65～3.26 GHz处的凸起阻碍了其可用带宽的进一步增大,因此对BA-PB做一定改进,以改善其阻抗特性,新的天线称为改进的平面巴伦馈电蝴蝶结天线(Modified BA-PB, MBA-PB).如图7所示,改进方式为在馈电部分挖去两个对称的椭圆进行渐变,使得天线的阻抗随频率变化得更加平滑,其渐变程度由椭圆的长轴和短轴共同控制.

图6 BA-PB的仿真|S11|

图7 馈电部分改进示意图

图8给出了BA-PB与MBA-PB的|S11|对比,很明显,对天线馈电部分进行了渐变之后,天线的阻抗性能改进了不少,而且在2.65～3.26 GHz处的凸起也完全消失了.最终MBA-PB的阻抗带宽为0.62 ～ 3.0 GHz(132%).

图8 BA-PB与MBA-PB的|S11|对比

2.2 双频双定向蝶形天线设计

将RBR 1与RBR 2分别置于MBA-PB的下方和上方,距离MBA-PB分别为ha1和ha2,得到的新天线称为双定向蝴蝶结天线(Bow-tie Antenna with Two Uni-directional Bands, BA-TUB).图9给出了BA-TUB天线的|S11|和前后比,同时,天线的仿真模型也一并给出.可以看到,BA-TUB的前后比在大部分频率都大于5 dB,其前后比曲线在1.2 GHz左右有一个明显的上扬,说明RBR 2在这个频段可能对天线在+z轴方向的辐射起到了引向作用.另外,天线的前后比在1.8 GHz时出现了明显的下陷,这是天线的双向辐射的频点.遗憾的是,天线的工作带宽相较MBA-PB明显恶化严重,只在0.8 ～1.2 GHz内小于-10 dB.

图9 BA-TUB的仿真模型、|S11|与前后比

为了解决上述问题,对RBR 2展开研究.令其他参数保持不变,ha2取15 mm,25 mm和35 mm,对RBR 2单独进行仿真并观察其反射特性.

图10所示为RBR 2的反射特性,可以看出,ha2增大对反射系数幅值完全没有影响,但是当ha2增大时,RBR 2的同相反射频带会相应地向低频移动,在ha2=35 mm时,RBR 2的同相反射频带为1.49 ～ 2.72 GHz,结合RBR 1的同相反射带就可以消除在1.62 ～2.19 GHz时出现的真空区.

图10 当ha2增大时RBR 2反射特性的变化情况

依然按以上方法对BA-TUB进行仿真,观察其前后比及|S11|,所有结果由图11给出.如图11 (a)所示,当ha2增大时,BA-TUB在低频段的前后比带宽会稍有减小,高频段的前后比略有增加,对比图10可以很清晰地看出同相反射带与前后比的关系.从图11 (b)可以看出,当ha2增大时,BA-TUB的|S11|逐渐改善,说明导致BA-TUB阻抗特性很差的原因在于RBR 2的ha2不够大时,同相反射频段不够,当RBR 2与天线本体的距离增加改善了同相反射频段.当ha2增大到35 mm时,BA-TUB的工作带宽为0.8 ～ 3 GHz(115%).折衷考虑之后,将ha2取为35 mm,BA-TUB的阻抗带宽为0.8 ～ 3 GHz(115%),前后比带宽分别为0.8 ～ 1.45 GHz(FFB, 58%)与1.85 ～ 2.82 GHz(BFB, 41.6%).

(a) BA-TUB的前后比变化情况

(b) BA-TUB的|S11|变化情况
图11 参数ha2变化对反射特性和前后比特性的影响

为了验证设计的有效性,对BA-TUB进行了加工,天线实物照片如图12(a)所示.采用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线的阻抗性能进行了测试,测试结果如图12(b)所示.可以看到,天线的测试阻抗带宽为0.80 ～2.85 GHz(112%),与仿真阻抗带宽几乎一致.虽然天线的匹配相对于仿真结果有一定的恶化,但是在工作带宽内,所有频点的|S11|均小于-10 dB.

(a) 加工天线的照片

(b) 仿真与实测|S11|对比
图12 BA-TUB天线实物及测试的反射特性

为了更直观地说明天线的辐射方式,通过NSI 2000天线近场测量系统以及其配套的微波暗室对天线的辐射特性进行了测量.由于暗室配套的传动系统只能测试到天线在上半空间的辐射,因此需要采用手动测量并记录天线各个角度的接收电平值的方式来绘制天线的方向图,同时得到天线的前后比.测试环境如图13所示,通过360°旋转木架来获得天线E面以及H面所有角度的电平值,进而得到天线的辐射方向图.

图13 BA-TUB手动测试环境

图14和图15给出了BA-TUB在0.8 GHz,1.1 GHz(FFB频带内)以及2.1 GHz和2.4 GHz(BFB频带内)的E-H面的仿真与实测方向图对比.

(a) 0.8 GHz

(b) 1.1 GHz
图14 BA-TUB在FFB频段的E-H面方向图

(a) 2.1 GHz

(b) 2.4 GHz
图15 BA-TUB在BFB频段的E-H面方向图

从图上可以很清楚地看出,BA-TUB在FFB与BFB内分别向+z轴与-z轴辐射,在所有四个频点上,天线主瓣的实测值与仿真值吻合良好,而在后瓣会有些许偏差,由于天线的前后比吻合得很好,因此这点偏差并不会对天线的性能造成太大的影响.另外,测试的方向图相对于仿真方向图会有一些偏移,这可能是因为在测试的过程当中,固定天线的泡沫出现了松动导致天线出现了物理偏移,但是这并不影响测试结果的正确性.

最后,采用NSI 2000天线近场测量系统对上述四个频点的增益进行了测量.同时,在图14与图15中可以得到天线的仿真与测试前后比,所有数据总结在表2中.从表中可以看到,天线的前后比与增益的测试值和仿真值吻合得非常好,因此本文所涉及的BA-TUB具有良好的性能.

表2 天线增益及前后比仿真值与实测值对比

3 结 论

本文在谐振式反射器的基础上,以降低宽带定向天线的剖面为目的,结合两个不同大小且分别置于天线上下方的谐振式反射器,设计了一款小型化、低剖面的“双频双定向辐射”宽带定向蝶形天线.该天线在工作频带的UHF低频段与S高频段分别向+z轴与-z轴辐射,这两个定向频段分别称为FFB与BFB.在保证天线下方的反射器与天线距离不变的情况下,通过调节天线上方的反射器与天线的距离,来对天线的性能进行灵活调控.结果表明,该天线的阻抗带宽约为112%,UHF低频段和S高频段的相对定向带宽分别为58%和41.6%.天线在0.8 GHz,1.1 GHz,2.1 GHz以及2.4 GHz时的增益分别为7.1 dBi,6.4 dBi,7.7 dBi以及5.5 dBi,前后比分别为14.4 dB,6.9 dB,11.2 dB以及8.7 dB.所设计的天线具有较高的增益和良好的定向性,且整体尺寸仅有0.45λ×0.4λ×0.2λ,在中继通信和接力通信等领域有着极大的应用潜力.