劉高輝，劉 偉

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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基于小型化天線的饋電網(wǎng)絡(luò)研究

劉高輝，劉 偉

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

針對(duì)現(xiàn)有的北斗系統(tǒng)B3頻段接收天線整體接收設(shè)備小型化的問(wèn)題，需要相對(duì)應(yīng)的小型化圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)。提出了一種緊湊型結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)，該饋電網(wǎng)絡(luò)采用雙層結(jié)構(gòu)和威爾金森功分器，在面積上進(jìn)行壓縮，使得直徑僅有45 mm，中心頻率1.268 GHz，帶寬為300 MHz，四端口相位依次滯后0°、90°、180°、270°。該饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，非常適合應(yīng)用在圓極化四臂螺旋天線饋電網(wǎng)絡(luò)中。

北斗系統(tǒng);饋電網(wǎng)絡(luò);小型化;四臂螺旋天線

0 引言

近年來(lái)，由于衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的迅猛發(fā)展，四臂螺旋天線因?yàn)槠淞己玫膱A極化、寬波束、相位穩(wěn)定等特性被應(yīng)用于航天航空一些特定的領(lǐng)域[1]。常用的導(dǎo)航天線四臂螺旋天線因?yàn)槌叽缦鄬?duì)較大，不能滿足一些小型化接受設(shè)備的應(yīng)用要求，因此，四臂螺旋天線小型化和饋電網(wǎng)絡(luò)小型化一直是眾多學(xué)者的研究對(duì)象[2-7]。

同時(shí)，伴隨著四臂螺旋天線小型化產(chǎn)品的出現(xiàn)，饋電網(wǎng)絡(luò)小型化面臨著重大的挑戰(zhàn)。饋電網(wǎng)絡(luò)一般采用兩種形式，一種是集成芯片的形式饋電，另一種是微帶線饋電。集成芯片因?yàn)閮r(jià)格高的原因，很多學(xué)者會(huì)采用微帶線的方式進(jìn)行饋電，微帶線需要印制在介質(zhì)基片上，要實(shí)現(xiàn)相位依次滯后0°、90°、180°、270°，需要對(duì)微帶線的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，這樣就造成饋電網(wǎng)絡(luò)面積變大，與小型化的四臂螺旋天線不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化，制約了其發(fā)展。

針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)，該饋電網(wǎng)絡(luò)基于威爾金森功分器的原理[8-10]，再對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改變，使得饋電網(wǎng)絡(luò)在面積上有了很大一部分的縮減。這對(duì)于適應(yīng)小型化的四臂螺旋天線有了進(jìn)一步的發(fā)展。

1 威爾金森饋電網(wǎng)絡(luò)理論

威爾金森功分器因?yàn)槠錈o(wú)耗的特性，被廣泛地應(yīng)用于功分電路中，它可以實(shí)現(xiàn)任意的功分比，最基本的是等分情況。

傳輸線結(jié)構(gòu)的威爾金森功分器原理圖[11]如圖1所示，總輸入端口的特性阻抗為Z0，兩端分支結(jié)構(gòu)的特性阻抗為Z1和Z2，電長(zhǎng)度為λ/4，為了保證威爾金森功分器的傳輸特性，需要注意以下3點(diǎn)：

圖1 等分威爾金森功分器電路圖

(1)輸入端無(wú)反射；

(2)兩個(gè)輸出端電壓相等；

(3)輸出端功率比值為任意指定值1/k2。

由上述3點(diǎn)可得：

(1)

其中U2=U3，由式(1)可以得出功分器各部分傳輸線的阻抗關(guān)系。由傳輸線理論得：

(2)

設(shè)R2=kZ0，則Z3、Z4、R3的計(jì)算公式為：

(3)

取k=1，即得到等分的3 dB Wilkinson功分器，其中：

R2=R3=Z0

(4)

(5)

為了保證隔離度，在兩個(gè)輸出端口加入電阻R=2Z0。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)建模

本文設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)采用兩層板的結(jié)構(gòu)[12]，下層結(jié)構(gòu)主要對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一分二的輸出，輸入端加了阻抗匹配段，輸出相位分別為0°和180°；上層結(jié)構(gòu)主要對(duì)兩路信號(hào)再分為四路，產(chǎn)生0°、90°、180°、270°的四路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圓極化要求。介質(zhì)板材質(zhì)選用介電常數(shù)為3.66的羅杰斯4350板材，大介電常數(shù)的材質(zhì)對(duì)模型的體積有一定的縮減，但是，對(duì)其反射系數(shù)和隔離度有一定的影響。圖2為模型的整體結(jié)構(gòu)，圖3為模型的側(cè)視圖。饋電網(wǎng)絡(luò)印制在半徑為22.5 mm的圓盤(pán)上，體積較原始體積能縮減將近一半。

圖2 雙層的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 饋電網(wǎng)絡(luò)的側(cè)視圖

3 仿真分析

仿真由Ansoft公司高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS 13.0完成，得到S11、駐波，從S11圖(圖4)可以看出，回波損耗<-10 dB的帶寬(BW)大約為200 MHz，中心頻率點(diǎn)的損耗為-15 dB。

圖4 S11圖

如圖5所示，端口2與端口3的相位差為90°。

圖5 端口2與端口3相位差

如圖6所示，端口2與端口4的相位差為180°。

圖6 端口2與端口4相位差

如圖7所示，端口2與端口5相位差為270°。

圖7 端口2與端口5相位差

由圖8可以看出，在中心頻率附近輸入端口到4個(gè)輸出端口的傳輸系數(shù)基本保持一致，信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入端口后可以平均分配到4個(gè)輸出端口，實(shí)現(xiàn)平衡輸出，反射較小，結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。本結(jié)構(gòu)中，得到的插入損耗并不算小，一方面是因?yàn)樗x擇的介質(zhì)板的損耗較大；另一方面是從輸入端口到輸出端口的走線過(guò)長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇較小損耗的介質(zhì)板材料或者縮短走線來(lái)減小插入損耗。

圖8 4個(gè)輸出端口插入損耗的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了為小型化四臂螺旋天線饋電的要求，在北斗B3頻段，相比國(guó)內(nèi)外小型化的饋電網(wǎng)絡(luò)，此相移網(wǎng)絡(luò)直徑為45 mm，有了明顯的縮減，結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)，具有良好的前后比和輻射特性，非常適合GPS、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和手持設(shè)備應(yīng)用需求。本文著重分析了功分網(wǎng)絡(luò)的性能和結(jié)構(gòu)，將仿真結(jié)果和實(shí)際需要結(jié)合進(jìn)行分析，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求，顯示了很好的匹配特性。該饋電結(jié)構(gòu)還需要在阻抗匹配、降低成本和工作環(huán)境對(duì)其影響方面進(jìn)行研究，從而促進(jìn)其在導(dǎo)航市場(chǎng)的應(yīng)用。

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Research on feed network based on miniaturized antenna

Liu Gaohui, Liu Wei

(School of Automation and Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In order to solve the problem of the miniaturization of the whole receiving equipment of the B3 band receiving antenna in the existing Beidou system, the corresponding small circular polarization feed network is needed. This paper presents a compact structure of the feed network. The feed network adopts a double layer structure and Wilkinson power divider to compress the area, so that the diameter is only 45 mm, the central frequency is 1.268 GHz, bandwidth is 300 MHz, four port phase lag in turn 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees. The proposed feed network is compact in structure, small in size, and is very suitable for using in circular polarized quadrifilar helix antenna feed network.

Beidou system; feed network; miniaturization; quadrifilar helix antenna

TN828.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.025

劉高輝，劉偉.基于小型化天線的饋電網(wǎng)絡(luò)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：82-84.

2017-01-15)

劉高輝(1968-)，男，博士，副教授，主要研究方向：天線設(shè)計(jì)、通信信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理等。

劉偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：天線設(shè)計(jì)。