2 0 0 5 1 全国微波毫米波会议论文集特征模设计两端口方向图分集天线。吴炜霞，王秉中，张泳( 电子科技大学应用物理研究所，成都6 1 0 0 5 4 )摘要：本文以有限地板方形贴片天线为基础进行了特征模的提取。通过对特征模式l 和特征模式5 的激励在，这个方形贴片上引入了两个端口，实现了两端口方向 到分集。最后分别对阳端口电流进行了特征模展开，计算出特征模展开系数，证明了这两个端口能够有效地激励起特征模式1 和特征模式5 。1 有限地板方形贴片天线的几何结构有限地板的方形贴片天线的结构如图1 所示。该天线工作在8 3 G H z ，顶部的方形贴片尺寸为畈= 1 8 m m ，地板尺叫为睨= 3 6 m m ，空气介质的厚度h = 36 r n m 。图1带有有限地板的方形贴片天线2 天线的特征模图1 所示天线最小的十个特征值分别为： = 一o 1 8 0 4 ，丑= 一o 1 9 0 0 ， = o 2 7 9 1 ，丑= - 0 2 9 5 0 ，玉= - 0 4 2 2 9 ，九= o 4 8 3 4 ，丑= - 0 5 3 4 0 ，太= 加5 6 0 9 ，南= l7 6 6 7 ，五。= 1 7 7 2 4 。特征值的幅度| 乃I 指示了相应模式的辐劓能力，那些特征值幅度I l 小的模式辐射能力强，而那些特征值幅度k l 大的模式辐射能力弱。故这十个特征模是该天线中辐射能力最强的，即主要的辐射模式。通过最小的十个特征模式电流和方向图的观察，特征模式1 和特征模式5的电流具有明显的正交性，便于分别激励；特征方向图在y o z 平面上相关性较小易于实现天线的方向图重构。图2 示 _ 了特征模I 和特征模5 在贴片上的电流分布和V o z 平面的方向图。t 本文受围家自然科学基金( 6 0 3 7 1 0 0 8 ) 、电子科技大学创新团队计划资助。1 5 02 0 0 5 。全国微波毫米波会议论文集am o d e1am o d e51图2 特征模式1 、5 的电流分布和方向图3 两端口方向图分集天线结构如图3 所示，天线的端口1 选择在特征电流1 有最小值，而特征电流5 有最大值的地方。这个位置也是特征电压1 有最大值，而特征电压5 有最小值的地方。因为采用同轴电压馈电，这个馈电位置可以有效地激励特征模1 抑制特征模5 。同样，端口2 选择在贴片的中心，这个位置既是特征电流5 有最小值又是特征电流l 的最大值的地方，用来激励特征模5 抑制特征模1 。端口2 采用微带v i af e d t h r o u g h 背馈的方式，天线的背面有个 4 微带阻抗变换器和一个5 0 0 h m 的微带馈线，通过v i a 将阻抗变换器、微带馈线和贴片相连。在v i a 经过的接地面开个孔，这个通孔位于地板的中心，直径为2 m m ，v i af e e d - t h r o u g h 的直径为12 7 r a m 。采用这种馈电方式易于方便的设计微带阻抗匹配电路。调节v i af e e d - t h r o u g h 和贴片之间的距离能够进一步改善天线的阻抗匹配，将此距离调整为01 8 m m 时可以获得较佳的s 参数。微带馈线的介质板厚度为0 5 m m ，介质的介电常数s ，= 2 2 ，微带馈线宽度盯= 1 6 r n m ，阻抗转换器长度I = 9 n m a ，宽度矿= 3 m m 。P i n 是一个直径为O 3 m m 的短路柱，它的位置与端口1 的位置关于v i af e e d - t h r o u g h 对称。因而可醴减小端L lt 的探针对端口2 的方向图在y o z面的影响。由于特征模1 和特征模5 的正交关系可以预见，这个双端口天线可以实现天线的方向图分集。1 5 12 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集4 天线的s 参数和方向图电磁仿真软件A n s o f IH f s s 对天线进行仿真。图4 示出两端口方向图分集灭线的S 参数。其中| S 1 和I 是，l 在8 3 G H z 附近都小于一1 0 d B ，两端口隔离度大于1 9 d B ，可以满足分集天线对相关系数的要求。图5 a 示出端u1 接信号源，端口2 接5 0 0 h m 匹配负载时的端口l 方向图。图5 b 示出端口2 接信号源，端口l 接5 0 0 h m 匹配负载时的端口2 方向图。( s i d ev i e w )2( t o pv i e w )图3 两端口方向图分集天线结构F m q u o n c y图4 天线的S 参数5 端口电流的特征模展开端口1 的电流展开系数吼、口3 、q 、a 6 、a 7 、口8 、5 9 ，、q l 、喁5 远大其它展开系数，为：o 0 1 8 4 一O 0 0 4 6 i 、- o 0 2 1 6 - o0 0 6 4 i 、O 0 0 3 5 + o 0 0 1 7 i 、1 5 22 0 0 5 + 全国微波毫米波会议论文集00 3 7 3 + 00 2 1 0 i 、0 0 2 3 7 十0 0 1 5 4 i 、0 0 0 8 3 + 00 0 5 5 i 、一00 3 7 9 + 00 4 7 8 i 、O 0 0 9 2 - o0 2 0 9 i 、一o 0 0 3 4 + o0 3 0 6 i 。端口电流1 可以用特征电流近似展开为：I p 。1 J 蝴1 = 口1 1 I + 屿3 + a 4 1 4 + 吒厶+ 6 7 1 7 + a B l 8 + ，9 + 口1 1 1 1 i + 口1 5 1 1 5 。( 2 )端口2 的电流展开系数口；，喁，远大其它相关系数，为：哦= 0 0 2 5 5 + 0 0 13 3 i 、皿；= O 0 0 3 3 + 0 0 3 1 5 i 。故端口电流2 用特征电流近似展开为：I 脚。2 L 2 = 厶+ 喁s 1 1 5 。( 3 )近似电流乞，、l o q ：对应的方向恻如图6 a 、6 b 所示，与例5 a 和图5 b 比较可见，近似电流对应的方向图与端口1 、2 的方向图基本相同，说明近似电流反映了端口电流的主要特征。端口l 的馈电系统的引入对天线特征模式的影响较大，而且激励起的模式较多，但在方向图上依然保持了特征模式1 的特点，即在y o z上半平面的方向图的最大指向为0 6 。端口2 的引入对天线特征模式的影响较小，且几乎能够完全独立的激励起特征模式5 。，多7 7 _ 、弋S 、，o 怒 是、 m |。J 。V。 j。j f1 、 卜f 。卜扣土。t o o j JL。”1 ，= I 。一0 j 7j j o t 。、f _ ，Aj i ， 一。m 、。、j ：卜、。一一一。1z ；、一，一j 二1 图5 a 端口1 方向图z图5 b 端口2 方向图o 0O多j ，；4 ：= = = ：是、。J 么一基 ，f、i 、，”“ 。1 “吣“, - I i 0 1I Iffj 一。m 膏jij l _ 、7|弛一? i、“f|一、7 mw 、7 j a ，7， 、。一一一一二。1；、一，丘图6 a 近似电流，对应的方向图图6 b 近似电流L ：对应的方向图参考文献：1 R FH a r r i n g t o n ，a n dJ R M a u t z ，“T h e o r yo f c h a r a c t e r i s t i cm o d e sf o rc o n d u c t i n gb o d i e s ，”I E E ET r a n s A n t e n n a sP r o p a g a t ，v 0 1 1 9 ，N o 2 ，P P 6 2 2 6 2 8 ，S e p t 1 9 7 1 1 5 3mo种o口