寬帶高增益環形圓極化微帶天線

陳青青，李建瀛，丁宇昕，張凌凱，馮 耀，謝 靜

(西北工業大學電子信息學院， 陜西西安710129)

隨著現代通信技術的不斷發展，圓極化微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面低和靈活度高等優點，被廣泛應用在雷達、導航、衛星等通信領域。圓極化天線是通過使用饋電結構激發具有90°相位差的兩個正交線性極化模式產生圓極化[1-4]。通過開縫或者切角產生微擾的單饋圓極化天線[5-7]的工作帶寬通常比較窄，軸比帶寬在1% ～ 2%之間。一些改進單饋圓極化微帶天線軸比帶寬的方法被提出，例如添加寄生貼片[8-9]和開U形槽[10],其軸比帶寬可以在原結構基礎上被展寬到3% ～ 4%。另外，使用功分網絡[11-12]或者多層基板[13-14]可以展寬圓極化天線的軸比帶寬，但相對于單點饋電圓極化天線，其結構稍顯復雜。

基于環形切縫微帶天線[15-16], 筆者設計了兩款展寬軸比帶寬的圓極化微帶天線，分別是圓形環圓極化微帶天線和方形環圓極化微帶天線。天線的軸比帶寬被有效展寬。圓形環和方形環圓極化天線分別在3.83 ～ 4.07 GHz (軸比帶寬約為6.2%)和3.76 ～ 4.00 GHz (軸比帶寬約為6.1%)的頻段范圍內，軸比(Axial Ratio，AR)小于3 dB，且電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，具有良好的圓極化特性。在工作頻帶內，兩款圓極化微帶天線的峰值增益均高于10.0 dB。

1 寬帶圓形環圓極化微帶天線的設計

1.1 天線結構

寬帶圓形環圓極化微帶天線(天線1)的結構如圖1所示。天線的中心頻率為3.87 GHz。天線由環形輻射貼片和地板組成，在輻射貼片與地板之間是厚度為7 mm (H1)的空氣層。在輻射貼片上偏離-y軸P1位置開有一個寬1 mm (W1)的橫向槽，擾動表面電流分布，激勵兩個相位相差90°、幅度相等的模式，輻射圓極化波。同時，輻射貼片內側開有一個正方形方向孔(13 mm×13 mm)，以改善阻抗匹配特性。該天線由同軸線饋電，同軸線內導體對輻射貼片饋電，外導體與地板連接。饋電點位置在-y軸上，距離原點15 mm (R3)。金屬地板的半徑R2=55 mm。根據仿真模型，制作天線實物如圖2所示。

圖1 寬帶圓形環圓極化微帶天線(天線1)結構圖

圖2 實物結構圖

該天線的工作頻率F0由環形貼片的平均周長決定，其計算式為

F0=c/(πR1+2L1) ，

(1)

其中，c是真空中的光速，R1是輻射貼片外半徑，L1是輻射貼片上方形孔的邊長。圖3是圓環形輻射貼片上在中心頻率為3.87 GHz的表面電流分布圖?？梢钥闯?，該天線表面電流沿順時針方向旋轉(沿+z軸方向觀測)，輻射右旋圓極化波。

圖3 寬帶圓形環圓極化微帶天線(天線1)表面電流分布

1.2 參數分析

通過分析，知該天線的內外環尺寸決定其工作頻率F0，但空氣層厚度(H1)、縫隙偏移距離(P1)、縫隙寬度(W1)及饋電點位置(R3)對天線性能的影響尚不明確，因此對天線進行參數分析。利用HFSS 19.0 對天線進行仿真研究，當對某一特定參數進行優化時，其他參數保持不變。

空氣層厚度(H1)對天線性能有明顯影響，如圖4所示?？梢钥闯?，當空氣層厚度增加時，天線工作頻率向低頻偏移，電壓駐波比損壞，駐波小于2的駐波比帶寬減??；當空氣層厚度H1=7.0 mm時，軸比小于3 dB的帶寬最寬，軸比特性達到最優。

圖5給出一組縫隙偏移距離P1不同取值時，圓環形圓極化天線的電壓駐波比(VSWR)和軸比(AR)變化曲線?？梢钥闯?，隨著偏移距離的增大，天線工作頻率向更高頻率偏移。當偏移距離較小時，中心頻率的電壓駐波比特性損壞；當偏移距離較大時，軸比帶寬 (軸比小于3dB) 變窄。計算結果表明，當P1=2.5 mm時，天線具有最佳的軸比帶寬，且駐波比小于2。

圖4 H1對天線性能的影響

圖5 P1對天線性能的影響

該環形輻射貼片輻射圓極化的機理是橫向槽擾動表面電流，產生兩個幅度相等、相位相差90°的模式，所以選擇不同大小的縫隙對圓極化性能影響很大。圖6中列出了不同縫隙寬度 (W1)對天線性能的影響?？梢钥闯?，當縫隙寬度較窄時，電壓駐波比帶寬 (駐波小于2) 較窄；當縫隙寬度較寬時，中心頻率的電壓駐波比超過2。當縫隙寬度W1=1.0 mm時，軸比小于3dB的帶寬取得最優結果。

最后一個被研究分析的參數是饋電點位置R3，圖7給出一組不同位置饋電時天線性能的變化。從圖中可以得到，饋電點主要影響天線的電壓駐波比。當饋電點位置靠近原點時，中心頻率電壓駐波比惡化；當饋電點位置距原點較遠時，電壓駐波比小于2帶寬較窄。由計算可得，當R3=15.0 mm時，天線電壓駐波比達到最佳性能。

圖6 W1對天線性能的影響

圖7 R3對天線性能的影響

1.3 天線的仿真和測試結果

根據以上的分析，利用HFSS 19.0對所設計的天線進行仿真計算，天線的工作頻率為3.76 ～ 4.00 GHz，天線的各個參數最終選?。篟1=25.0 mm，R2=55.0 mm，R3=15.0 mm，L1=13.0 mm，W1=1.0 mm，P1=2.5 mm，H1=7.0 mm。在整個工作頻帶內駐波小于2，且軸比小于3 dB，具有較好的圓極化特性。

對加工的天線進行了測試，測試得到的天線電壓駐波比(VSWR)，軸比(AR)和增益如圖8所示。實際測試結果與仿真結果基本一致。實測的電壓駐波比帶寬 (駐波小于2) 約為21.3% (3.52～ 4.36 GHz)，軸比帶寬 (軸比小于3 dB) 約為6.2% (3.74 ～ 3.98 GHz)，可以較好地輻射圓極化波。天線增益在工作帶寬內高于9.5 dB，峰值增益大于10.0 dB。圖9給出了分別在3.74 GHz、3.86 GHz和3.98 GHz等頻點下測試的天線xOz面和yOz面歸一化方向圖。從結果可以看出，在工作帶寬內，設計的天線實現穩定的右旋圓極化單向輻射，與圖3相符。結果表明，此天線在較寬的頻帶內具有優良的駐波比特性和圓極化特性。

圖8 天線1仿真和實測的駐波、軸比和增益

圖9 天線1實測xOz面和yOz面方向圖

2 寬帶方形環圓極化微帶天線的設計

2.1 天線結構

寬帶方形環圓極化微帶天線(天線2)的結構如圖10所示。天線的中心頻率為3.95 GHz。與第1部分的圓環形圓極化天線結構相似，天線由環形輻射貼片和地板組成，在輻射貼片與地板之間是厚度為7 mm (H1)的空氣層。不同之處在于，環形輻射貼片外圈是邊長為L′1的正方形，內圈是半徑R′1的圓形。該天線由同軸饋電。根據優化得到的模型參數，加工的實物天線如圖11所示。

圖10 寬帶方形環圓極化微帶天線(天線2)結構圖

圖11 實物結構圖

該天線的工作頻率F′0由環形貼片的平均周長決定，其計算式為

F′0=c/(πL′1+2R′1) ,

(2)

其中，c是真空中的光速，L′1是方形輻射貼片的邊長，R′1是輻射貼片上圓形孔的半徑。圖12是輻射貼片上在中心頻率3.95 GHz的表面電流分布圖?？梢钥闯?，該天線表面電流沿順時針方向旋轉(沿+z軸方向觀測)，輻射右旋圓極化波。分析可得，該天線的內外環尺寸決定其工作頻率F′0，且空氣層厚度(H′1)、縫隙偏移距離(P′1)、縫隙寬度(W′1)及饋電點位置(R′3)對天線性能的影響與圓環形圓極化微帶天線一致。

圖12 寬帶圓形環圓極化微帶天線(天線2)表面電流分布

2.2 天線仿真和測試結果

天線的工作頻率為3.83 ～ 4.07 GHz，天線的各個參數最終選?。篟′1=7.0 mm，R′2=55.0 mm，R′3=14.0 mm，L′1=34.0 mm，W′1=1.0 mm，P′1=4.5 mm，H′1=7.0 mm。仿真得到，在工作帶寬內，駐波小于2，軸比小于3 dB，具有較好的圓極化特性。

圖13 天線2仿真和實測的駐波、軸比和增益

圖14 天線2實測xOz面和yOz面方向圖

仿真和測試得到的電壓駐波比(VSWR)、軸比(AR)和增益如圖13所示?？梢钥闯鰷y試與仿真結果相吻合。該天線的電壓駐波比帶寬 (駐波小于2) 為20.1%(3.50 ～ 4.30 GHz)，軸比帶寬 (軸比小于3 dB) 為6.1% (3.80 ～ 4.04 GHz)，圓極化性能較好。在3.94 GHz，天線增益最大，峰值增益約為10.1 dB。天線的輻射方向圖如圖14所示，圖(a)，(b)，(c)分別是測試的天線在3.80 GHz，3.92 GHz，4.04 GHz的xOz面和yOz面方向圖，由圖可以看出，該天線穩定的單向輻射右旋圓極化波。

3 結束語

文中基于環形切縫微帶天線[15-16]設計了兩款展寬軸比帶寬的圓極化微帶天線，分別是圓形環圓極化微帶天線(天線1)和方形環圓極化微帶天線(天線2)。天線的軸比帶寬被有效展寬。圓形環和方形環圓極化天線分別在3.74 ～ 3.98 GHz (軸比帶寬約為6.2%)和3.80 ～ 4.04 GHz (軸比帶寬約為6.1%)的頻段范圍內，軸比小于 3 dB，獲得了良好的圓極化特性。在工作頻帶內，兩款圓極化微帶天線的峰值增益高于10.0 dB，并實現穩定的單向輻射。該天線是無線通信系統的良好候選。筆者也對圓形貼片內刻圓縫結構和方形貼片內刻方形縫結構的兩種天線結構進行了分析，得到幾乎同樣的結果。