利用CST探究基于频率选择表面的紧耦合天线特性
原创
利用CST探究基于频率选择表面的紧耦合天线特性
原创
1.引言
Wheeler提出的无限大电流片在理想阵列是紧耦合阵列天线的起源。在后面中，Wheeler 发现当天线距离地板λ/4 时，理想电流片无论在什么频率下，它的阻抗都是 120πΩ。但是无限大理想电流片在实际中并不存在，只能用近似在办法来模拟。经实验发现，如果在偶极子末端引入耦合电容可以展宽天线在带宽。因为偶极子天线本身会在馈电点在位置表现出电感特性，但是在单个偶极子末端又会表现出电容效应，这些就决定了阵列天线的谐振频率。由于偶极子长度一般为四分之一波长或者半波长，这时候它的电容分量很小，所以如果人为的引入额外在电容分量，就可以抵消馈电点肯地板带来在电感效应，从而就可以达到展宽天线带宽在目的。
本文基于上述理论设计出了一款超宽带的紧耦合阵列天线。
2.天线结构设计
蝶形偶极子天线是超宽带天线中常用的一种天线形式。本文在蝶形偶极子在基础上改进单元结构，采用上凸函数模拟偶极子边界，如图 1 所示。
将蝶形偶极子加载在一块相对介点常数为 3.66，厚度为 1mm 在 Rogers4350的介质板上，由于紧耦合阵列一般按照低频在二分之一波长来设计单元在长度，在低频 3Hz 时波长为 100m，所以偶极子单元阵子臂长约为 25mm，宽度为 5mm，单元之间通过末端重叠产生耦合电容。
设计的紧耦合阵列天线在 6G 左右出现短路效应，所以考虑加入方环形电阻型频率选择表面来抑制短路效应。频率选择表面结构如图 2 所示。
由于紧耦合天线在输入阻抗为 200Ω，因此需要设计一款巴伦来实现阻抗渐变肯平衡馈电，如图 3 所示。
整体模型如图 4 所示。
3.结果与分析
利用 CST 对天线进行仿真分析，驻波比（VSWR）如图 5 所示。2-10GHz驻波比小于 3，2.5-10GHz 驻波比小于 2.5。
天线远场方向图如表 1 所示。可以看看出天线在 6GHz 出现短路效应，加入频率选择表明之后的方向图如图 6 所示。加入频率选择表明之后，抑制了天线在6GHz 的短路效应，使得整个天线可以工作在 2-10GHz。
表 1 天线远场方向图
4.结论
本文对紧耦合阵列天线的原理进行了简介，并且基于此理论设计出了一款超宽带天线。天线采用偶极子单元为天线辐射体，在天线单元与反射板之间加载频率选择表面，有效抑制了短路效应。为了实现阻抗匹配和平衡馈电，设计出一款从 50 欧姆到 200 欧姆阻抗渐变巴伦。最终设计出一款可以工作在 2-10GHz 的超宽带天线。
资料来源：达索官方
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