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L型探针耦合圆柱共形贴片天线辐射特性分析

L型探针耦合圆柱共形贴片天线辐射特性分析

1  引言微带贴片天线是谐振式天线,无论采用微带馈电还是同轴馈电,都存在频带窄的缺点,一般在2~5%左右;采用L-型探针耦合馈电的贴片天线,可以解决大大提高天线的带宽,带宽比到20%[;有限柱面上的贴片天线和天线阵,在通信基站中应用广泛,而采用矩量法(MOM)求解L-型探针馈电圆柱贴片天线电场积分方程,计算了贴片天线辐射方向图的情况,分析的是平面矩形贴片而不是真正和柱面共形。

本文利用柱坐标FDTD方法,采用单轴各向异性完全匹配层作为吸收边界,采用金属柱体延伸到吸收层内的做法以避免柱坐标FDTD算法中心值奇异问题,来计算L型探针耦合共形贴片天线的辐射特性。

2  单个柱面共形贴片天线分析天线的工作参数(mm)为:Hc=132,Rc=50,L= W=44,s=14,s1=9.5,s2=20。f0=2.45GHz。采用柱坐标FDTD计算参数为:。采用硬激励方式的δ源馈电,采用高斯脉冲信号。


图1  探针馈电的圆柱共形贴片天线

2.1  共形贴片和平面贴片S参数比较图2是二种情况下的馈电点回波损耗和驻波比比较,平面情况结果为采用共形FDTD算法计算得到。


  (a)  S11

(b)  VSWR
图2  共形贴片和平面贴片天线S参数比较

平面矩形贴片的带宽为0.71GHz,带宽比28.57%;柱面矩形贴片,带宽为0.74GHz,带宽比29.37%。柱面矩形的带宽相比平面矩形略有提高(0.8%)。此外,从回波损耗来看,柱面矩形要稍高于平面矩形情况,这主要是由于矩形贴片弯曲之后,贴片的输入阻抗变化所致,通过调整馈电参数s1、s2,可以更好地实现阻抗匹配。
2.2  共形贴片和平面贴片方向图比较图3为共形贴片和平面贴片情况的方向图比较,在E面和H面,柱面矩形贴片的前向、后向辐射增益分别为8.1dB、-7.8dB;平面矩形贴片的前向、后向辐射增益分别为7.73dB、-6.43dB。二者相比较,发现柱面矩形的辐射性能比平面情况有所提高,前向辐射增加0.37dB,后向辐射降低1.37dB。


(a)  E面

(b) H面
图3  共形贴片和平面贴片天线方向图比较

3  柱面共形贴片阵列分析这里金属柱体高度:Hc=7l,贴片轴向间距Sd=37.0mm ,其它天线参和前面一致。下面分别研究纵向阵元个数变化,以及金属柱体变化对辐射特性的影响。


图4  轴向放置的L探针馈电共形贴片阵列

3.1  贴片阵元个数的影响采用柱坐标FDTD算法,对阵元个数分别为4、6、8时,进行了计算。圆柱柱坐标的计算参数和前面保持一致。
从图5看出,不同个数的阵列,在H面方向图的形状保持一致,仅是随着阵元数的增多,增益有所提高,分别为12.39、14.03、15.07dB;在E面,随着阵元个数的增加,除了天线增益有所提高外,波束逐渐变窄。


(a)E面

(b)H面
图5  不同阵元个数方向图比较
3.2  柱体半径的影响采用八列单元,金属半径分别取35mm、50mm、62.5mm,其它参数和前面保持一致,计算结果如图6所示。
从图6看出,当柱体半径逐渐增加时,前向辐射增益逐渐增强,分别为14.74, 15.07, 15.28dB,后向辐射逐渐减弱,分别为-8.08, -12.48,-16.9dB。在E面,方向图的旁瓣减弱的比较明显,在H面,方向图形状的变化不明显。


(a)E面

(b)H面
图6  柱体半径对方向图影响

4  结论本文采用柱坐标FDTD方法对L型探针耦合的圆柱共形贴片天线辐射特性进行了研究,表明共形贴片与平面矩形相比,带宽以及辐射特性均有相应提高。并且,阵列个数、柱体半径等参数变化对辐射特性的影响与平面贴片规律一致,与文献[1]结论吻合。采用柱坐标FDTD方法,与文献[1]采用的方法比较,分析更简洁,效率更高
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