圓極化微帶天線技術

圓極化微帶天線技術

圓極化天線的原理和特點

能夠接收和輻射圓極化波的天線稱為圓極化天線。圓極化波可以分解為兩個在空間和時間相互正交的等幅線極化波。實現圓極化工作的原理為：產生兩個等幅且相位相差90°的線極化電場分量。

圓極化微帶天線在衛星導航定位、遙感遙測以及雷達技術中得到廣泛應用，不僅因為微帶天線具有體積小、剖面低、便于加工等特點，更重要的是因為圓極化天線具有以下特點：

（1）圓極化天線能夠接收任意極化形式的電磁波，其輻射的圓極化波也能夠被任意極化的天線接收。這一特點使圓極化天線在電子偵查和干擾中廣泛應用；

（2）圓極化天線具有旋轉正交性，即天線輻射電磁波與接收電磁波的旋向是一致的，這一性質可應用于電子對抗和雷達的極化分集中；

（3）當圓極化波入射到對稱目標（如平面、球面等）時，其反射波旋向反轉。這一性質使圓極化天線具有抑制雨霧干擾的能力，并能夠增加通信容量。

圓極化微帶天線實現方法

微帶天線的結構相對簡單，貼片結構的靈活性比較大，在實現圓極化方面具有很多方法，常用方法有：單點饋電實現圓極化、多點饋電實現圓極化和多元法實現圓極化。

單饋實現圓極化

微帶天線采用單點饋電實現圓極化，其結構簡單，便于加工，與多點饋電相比，簡化了饋電電路，減小了能量的損耗。在實際應用中具有很重要的意義。目前已有大量文獻對單點饋電實現圓極化進行了研究。下面以矩形貼片為例，介紹微帶天線采用單點饋電實現圓極化的原理。

設矩形貼片的尺寸為a× b 。那么TM01和TM10模在沿著z軸方向的輻射場就會形成正交的分量，將這兩個模選為主模。其輻射的電場為：

在上式中：

上式中假設饋電探針的等效寬度為d0≤a 。

對于z軸方向，θ=φ=0，可得：

可見，TM01模和TM10模在邊射方向上的電場矢量是相互正交的。兩個正交極化的電場Ey和Ex，其比值為：

為了使波能夠在邊射方向圓極化輻射，那么就要求兩個正交極化的簡并模同時激勵起來。并要求：

將矩形貼片近似取于方形，即0＜（a-b）≤b 。此時有：

選擇合適的頻率，使得

則TM01模和TM10模的場都能得到比較強的激勵。此時式（6）就可以近似成下面的式子：

式中：

因此，如果要輻射圓極化波，激勵的條件就化為：

這就要求k-k10比k-k01超前或者滯后π/2，而且應有：

通常情況，單點饋電實現圓極化的微帶貼片天線會引入微擾Δs 來產生圓極化。Δs 也稱為簡并分離元，它可以是正的（Δs＞0），也可以是負的（Δs＜0）。選擇合適大小的簡并分離元Δs，輻射貼片的兩個主模就能形成90°的相位差。常見單點饋電的形式如圖1所示。

多點饋電法實現圓極化

多點饋電實現圓極化的方法是利用多個饋電點對天線的輻射貼片進行饋電。一般多點饋電實現圓極化都需要額外的饋電電路。饋電電路的作用就是產生一對幅度相等，相位差為90°的信號，作用在天線的輻射貼片上，產生一對正交的簡并模。

在雙點饋電中，T型接頭是最簡單的形式。饋電的兩個支路之間在長度上相差四分之一個波長，以產生90°的相位差，而兩路信號的幅度相等，以此使天線輻射圓極化波。其結構如圖2（a）所示，激勵起的兩個模式分別為TM01模和TM10模，兩個支路的輸入阻抗分別記為Ra和Rb，并且有Ra=Rb。那么各段微帶線的特性阻抗滿足下面的關系：

兩點饋電實現圓極化，還可以用威爾金森功分器或者3dB定向耦合器來進行饋電。其中3dB定向耦合器饋電的結構如圖2（b）所示。3dB定向耦合器的兩個輸出端的信號幅度相等，相位相差90°，不需要額外的電路。

圖1　常用單點饋電微帶貼片形式

圖2　雙饋圓極化微帶天線典型結構

圖3　多元實現圓極化微帶天線

多元實現圓極化

使用多個輻射源的方法來實現圓極化的方法也是比較常用和比較容易實現的。這種方法和多點饋電來實現圓極化的原理類似。每一個單元都進行單獨饋電。圖3（a）為只有兩個單元的情況，圖3（b）是有四個單元的情況。

以上所介紹的這三種實現圓極化的方法是在天線設計中常用的方法，當然在實際應用中，還有其他實現圓極化的方法，每種方法各有其自身的優點和缺點。單點饋電的結構簡單，但是天線的帶寬相對較窄；多點饋電能夠滿足較寬的帶寬，但是饋電電路比較復雜，并且損耗較大。這要根據實際的需要進行設計。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.018