一种新型双频圆极化微带缝隙天线的设计

李尚轩，陈 拓，党 琳，汶 涛

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安710071)

现代无线通信系统对天线的性能要求越来越高，单纯线极化天线已无法满足需求，而圆极化天线的应用越来越广泛。普通微带天线的圆极化轴比带宽一般不超过1%。使用双层或多层贴片微带天线，可较大幅度地提高带宽，但其体积大，且各贴片之间可能存在耦合。使用微带天线阵技术，则需要额外的馈电网络，这就导致天线的结构复杂、应用场合受到限制。对于单层微带天线，带宽窄是它的缺点，而优点包括:结构简单，无需额外的馈电网络，在实现圆极化的同时，天线能满足小型化、宽频带以及其他各种用途的要求［1］。前文中已经提到过，与传统的贴片天线相比，微带缝隙天线能得到更宽的带宽，且只通过在地板开缝实现天线的各种性特，结构简单、容易加工。

本文论述了一种新型的双频圆极化微带缝隙天线。天线的两个频段分别工作在L(1～2 GHz)和S(2～4 GHz)波段;圆极化波的相对带宽达到14.1%和9.2%;辐射方向图性能良好、体积小、结构简单、易加工。

1 天线设计

提出的双频圆极化天线为微带缝隙结构，通过在地板合理开槽克服了缝隙天线本身频带窄的缺点，有效拓展了天线宽带［2］。天线结构和具体尺寸如图1所示，基板采用介电常数为4.4的FR4介质，整体尺寸为70 mm×70 mm×1.6 mm。

图1 天线结构

介质板上层为微带馈线，改变馈线宽度d从而在一定范围内调节天线驻波的大小。端口采用50Ω馈电。介质板下层为地板，缝隙由一倾斜45°角的方形和矩形构成。对角另开的两个矩形缝隙可以激励起两个幅度相等、相位相差90°的线极化波从而实现圆极化。长矩形缝隙处又开了个小矩形槽，从而得到双频圆极化。微带馈线末端的圆形小贴片用于调节阻抗匹配。为便于与测量仪器直接相连，微带馈线的特性阻抗设计为50Ω，对应的微带线宽度可以根据经验式(1)和式(2)来进行计算

2 天线结构参数分析

通过有限元磁仿真软件Ansoft HFSS对天线进行建模，可以仿真分析该天线的各项性能［3－4］。

2.1 小矩形缝隙

小矩形位置d1的选择主要决定了较高频率的谐振点。如图1所示，将小矩形缝隙开在距离倾斜方形d1位置处，并紧邻对角的大矩形，主要是考虑到该位置处电流分布比较集中，容易获得圆极化波。通过对d1合理赋值可使天线获得高频处变化较大的回波损耗和轴比曲线，如图2所示，对比不同d1值对应的两种曲线形式。小矩形宽度主要影响频带内轴比的大小，如图3所示，可以看出随着W1的增大，轴比值变小。

图2 不同参数d1对天线性能的影响

2.2 圆形贴片

为令阻抗匹配程度更好，在馈线末端加装一个圆形贴片。由于圆形无论从哪个方向看都是轴对称图形，因而圆形贴片对天线的圆极化性能理论上不会有太大影响。从这个角度考虑，就可以通过添加圆形贴片，在保持原有天线圆极化性能的基础上，调节天线的阻抗匹配程度。如图4所示，不同贴片半径R对应的回波损耗对比图和轴比对比图。

图3 不同参数W1对天线性能的影响

图4 不同参数R对天线性能的影响

可以看出，仿真结果验证了理论分析。圆形贴片尺寸变化时，天线的轴比曲线基本没有变化，回波损耗曲线则变化陡峭。通过反复优化调节，选择合适的尺寸，在满足端口反射系数要求的同时，可以获得更宽的轴比带宽。

2.3 天线性能分析

为了验证该全向圆极化天线结构的可行性和仿真计算结果的正确性，制作了天线实物模型进行测试，如图5所示，测试和仿真计算结果吻合较好。如图6(a)所示，天线反射系数与仿真计算结果相比，曲线变化趋势较吻合，但高频段谐振点位置稍有偏移。最小反射系数对应的频率点由仿真计算时的2.3 GHz与实测结果的2.2 GHz之间存在约0.1 GHz的偏移，最小反射系数值略有上升。图6(b)是天线圆极化轴比曲线示意图，轴比带宽为800 MHz(1.55～2.35 GHz)，回波损耗在－10 dB以下的曲线全部在轴比带宽以内［5－6］。

图5 双频圆极化天线实物照片

图6 双频圆极化微带缝隙天线仿真结果

图7为天线在1.7 GHz、2.2 GHz的XOZ面和YOZ面方向图。可以看出，双频中较低频处方向图较好，且交叉极化也很小，但到高频处交叉极化较大。总地来说该结构的天线确实可以辐射全向圆极化波，验证了使用该结构设计全向圆极化天线是可行的。图8是该天线最大辐射方向的增益曲线。

图7 双频圆极化天线远场方向图

图8 双频圆极化微带缝隙天线的增益

3 结束语

提出了一种双频圆极化天线，并利用Ansoft HFSS软件对天线的性能进行了分析。天线低频段圆极化波覆盖1.59～1.83 GHz，带宽达到240 MHz，相当于低频段中心频率1.7 GHz的14.1%，高频段覆盖2.17～2.38 GHz，带宽达到210 MHz，相当于高频段中心频率2.28 GHz的9.2%。天线在低频具有良好的交叉极化特性。这种天线具有结构简单、易加工、成本低等优点。

［1］ 林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［2］ 钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1991.

［3］ 梁仙灵.双极化微带天线阵与超宽带、多频段印刷天线［D］.上海:上海大学，2006.

［4］SZE IA－YI，CHANG Weishan.Dual－band square slot antenna with embedded crossed strips for wireless Local Area Network Applications［J］.Microwave Optical Technology Letters，2009，51(4):435－439.

［5］GAI S，JIAO Y C，YANG Y B.Design of a novel microstripfed dual－band slot antenna for WLAN applications［J］.Progress In Electromagnetics Research Letters，2010(13):75－81.

［6］OOI P C，SELVAN K T.A dual－band circular slot antenna with an offset microstrip－fed line for PCS，UMTS，MT－2000，ISM，Bluetooth，RFID and WLAN applications［J］.Progress In Electromagnetics Research Letters，2010(16):1－10.