一種新型寬帶圓極化天線的分析與設計

王瑞濤，趙宇寧，丁 君，郭陳江

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

現代通信系統正面向大容量，高速化，多任務快速發展，寬帶天線在移動衛星通信系統，雷達跟蹤，RFID，WLAN等方面的應用越來越廣泛。然而，很多寬帶天線為線極化方式，已很難滿足惡劣條件下對天線傳輸信號穩定性的需求。圓極化天線由于可接收任意極化的來波，其輻射波也可由任意極化天線收到，且不同旋向的電磁波間具有較大極化隔離，能適應復雜環境和提高抗多徑能力，寬帶圓極化天線的研究日益得到重視。

為了實現天線的寬帶圓極化特性，前人總結了很多經驗。在文獻[1]中，通過U型槽和L型探針饋電組合，并對貼片切角產生微擾，實現了14%的3 dB軸比帶寬。采用共面波導（CPW）饋電，采用圓形枝節調諧阻抗匹配，并在地板矩形槽的兩個對角向外開槽，把3 dB軸比帶寬展寬到14.6%[2]。采用相似的結構，使用CPW進行饋電，通過在矩形縫隙中饋電線末端增加一個小的調諧枝節調節阻抗匹配，實現了17.39%的3 dB軸比帶寬[3]。同樣使用CPW饋電，通過在地板上刻蝕不對稱的槽，調節槽的尺寸和相對位置，產生兩個正交電場實現圓極化，獲得了31.2%的3 dB軸比帶寬[4]。在文獻[5]中，采用3 dB電橋在寬帶內具有的穩定90°相位差，對貼片進行縫隙耦合饋電，實現了42.6%的3 dB軸比帶寬；但是天線的-10 dB阻抗帶寬卻只有32.3%，限制了其圓極化性能的實現。文獻[6]使用CPW饋電，在地板矩形槽的兩個對角開了兩個E型槽，通過調節E型槽的尺寸，實現天線的寬帶圓極化特性，得到的3 dB軸比帶寬達到32.8%。通過采用末端短路的L型探針對地板上的L型槽進行饋電，獲得了高達40%的3dB軸比帶寬[7]。通過對CPW饋電線的結構改進，采用閃電型的饋線，并在地板的兩個對角增加兩個倒L型接地線以提高天線的圓極化特性，使天線的3dB軸比帶寬達到了48.8%[8]。文獻[9]中采用CPW對L型單極子貼片饋電，天線形狀采用了規則的六邊形設計，通過在槽的兩個對邊增加了兩個L型接地線，把3 dB軸比帶寬提高到了50%。

但是L型探針對加工工藝要求較高，且需要設計饋電網絡，使天線設計變得復雜。諸如電橋，功分器的設計，在增加了3 dB軸比帶寬的同時，卻受限于阻抗帶寬的擴展，且饋電網絡的設計和布局也較麻煩。相對于以上幾種方式的寬帶圓極化天線，采用CPW饋電方式的寬縫圓極化天線，在保持天線的易設計，低造價，好加工等特性的同時，還可以明顯的展寬天線的3 dB軸比帶寬。

本文采用CPW給L型單極子饋電，調節L型貼片縱向部分的長度和寬度，可以改善天線的阻抗匹配，調節L型貼片橫向部分的尺寸，可以明顯改善天線的圓極化特性。通過在地板矩形縫隙的兩個對角設計自由階梯式結構，可以靈活調節天線的阻抗匹配和圓極化性能。仿真結果顯示天線的回波損耗 （S11<-10 dB）和3 dB軸比的綜合帶寬為70%（2.6～5.4 GHz）。

1 天線結構與分析

本文設計仿真的天線結構如圖 1（a）所示，并加工了實物驗證仿真結果，實物如圖1（b）所示。介質基板采用厚度為1.6 mm，介電常數為4.4的FR4，天線的整體尺寸為60×60×1.6 mm3。天線的CPW饋電部分通過寬為 Wf的導帶與L型單極子貼片連接。調節Wf對天線的圓極化性能影響不大，但可以改變阻抗匹配。調節L型單極子貼片的長度Lt和寬度Wt，可以分別實現天線的寬帶內阻抗匹配和寬帶圓極化性能。L型貼片的橫向枝節部分的尺寸為Wb和Lb，調節其大小，對軸比影響很大。地板中間刻蝕了兩個對稱的階梯型結構，通過調節階梯的L3和L6，主要影響天線的阻抗匹配。調節L4和L5的尺寸，影響寬縫中電場的分布，在形成幅度相同，相位差90°的電場時候，可以獲得良好的圓極化特性。在另外兩個內角處，對天線進行了切角處理，切角影響了L型貼片和地板的電流分布，對天線的圓極化特性產生了良性影響。表1列出了優化后的天線的詳細參數列表。

圖1 CPW饋電天線Fig.1 The proposed CPW antenna

表1 天線結構的詳細參數Tab.1 The detailed dimensions of the proposed antenna

為了對比采用L型貼片設計和切角結構的效果，對為采用兩種設計的參考天線進行了對比分析。圖2（a）為未采用L型結構并未增加兩內角切角結構時天線的S11和3 dB軸比的仿真曲線圖。圖2（b）為采用L型結構并未增加兩內角切角結構時天線的S11和3 dB軸比的仿真曲線圖。

圖2 兩款參考天線的S11和AR仿真曲線圖Fig.2 Simulated S11 and AR of 2 reference antennas

圖3 兩款參考天線的面電流分布圖Fig.3 Surface current of 2 reference antennas

由圖2（a）可以看出采用L型貼片結構前，天線的阻抗帶寬在中心頻率較寬的范圍內匹配不好，軸比基本可以滿足寬帶圓極化天線的需要（2.2～5.3 GHz）。 圖 3（a）（b）分別是未采用L型貼片和未采用切角結構時，天線于3.5 GHz處的表面電流分布圖?？梢钥闯?，未采用L型貼片時，表面電流主要因貼片耦合分布在右下角的L1處，通過采用L型貼片結構，有效的減小了饋電結構和L1邊的耦合，得到的新的面電流分布如圖3（b）所示，可以看到，面電流分布變得比較均勻，不再局限于L1處。

圖4 兩款參考天線的矢量電場分布圖Fig.4 Vector electric of 2 reference antennas

由圖2（b）可以看出，采用L型貼片后，天線的阻抗匹配明顯改善，但天線的圓極化性去被限制到很窄的頻帶內（4.0～5.4 GHz）。圖 4（a）（b）所示分別為兩個參考天線于 3.5 GHz時矢量電場的分布圖。由圖4（a）可以看出，天線未切角時，矢量電場在兩個內角的分布由于直角的突變性，導致電場的相位突變，難以滿足圓極化需要的90度相位差條件。而在切角后，由圖4（b）可以看出，矢量電場的分布變得平緩均勻，對于維持穩定的90度相位差有很大影響，所以可以得到更好的圓極化特性。

圖5 天線的仿真結果Fig.5 Simulated results of the proposed antenna

為了進一步得到性能良好的圓極化天線，接下來對兩個關鍵參數Wb和L2進行分析。通過參數分析各參數對天線性能的規律性影響，指導天線的分析與設計。

圖5（a）所示為其它參數固定，對應不同長度Wb的回波損耗圖。Wb的長度分別取 3.5 mm，4.0 mm，4.5 mm。由圖 5（a）所示，Wb增加時，對低頻段影響較小，對中頻及高頻段影響很大，這是因為Wb的變化改變了端口的輸入阻抗，當輸入阻抗與端口阻抗匹配時，可以實現天線的寬帶工作。

圖5（b）所示為其它參數固定，對應不同長度L7的軸比變化圖。L7的長度分別取3 mm，4 mm和5 mm。如圖6（b）所示，L7對軸比低頻和高頻處影響都很明顯，L7增加，高頻處下降，低頻處先下降后上升，且對帶寬內軸比的波動影戲較大。經過權衡比較，選擇了L7=5 mm作為最終選擇。

3 測試結果分析

圖6（a）（b）所示分別為天線S11和AR仿真與實測結果的對比圖。由圖6所示，S11和AR的仿真和測試結果良好吻合。S11和AR仿真和測試的綜合帶寬分別為71.4%和74.2%，可用的有效帶寬為70%（2.6～5.4 GHz）。圖中S11產生的諧振點頻偏和軸比在低頻段內的起伏與天線的加工精度和測量環境有關。仿真時，像Wb一樣對天線S11影響很大的結構很多，復雜的天線設計更容易引入更多的加工誤差，誤差的累積效應就會變大，從而導致天線的最深諧振點向左偏移300 MHz左右。窄縫處的耦合和天線的測試也都會影響到天線性能。

圖7所示為天線增益的仿真和測試結果隨頻率變化的曲線，測試結果和仿真結果匹配良好，且在有效帶寬2.6～5.4 GHz內，天線的增益都大于3 dB，符合工程設計應用。由于實驗測試設備所限，本文未能給出圓極化天線的左旋與右旋圓極化波的測試圖。

4 結 論

圖6 CPW天線的仿真和測試結果對比（a）S11（b）ARFig.6 Simulated an measured results of the CPW antenna （a）S11 （b）AR

圖7 CPW天線的仿真和測試結果對比圖Fig.7 Simulated and measured gain of the proposed antenna

本文設計并制作了一款采用CPW饋電的寬帶圓極化天線[10]。通過在地板寬縫的兩個對稱的外角處增加階梯型結構，并在兩個內角處設計切角結構，可以有效提高天線的圓極化性能。而采用L型饋電結構可以有效改善天線的阻抗匹配。天線的仿真和測試結果良好匹配，證明了本設計的有效性。天線可有效工作于 2.6～5.4GHz頻段，可以滿足 WiFi和WiMax等寬帶通信網絡的使用需求。

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