浅谈圆极化微带天线

2013-08-31房明明

山东工业技术 2013年11期

房明明

（威海职业学院信息工程系，山东威海 264210）

随着无线通信技术的快速发展，天线作为各种无线通信设备中必不可少的元器件，获得了广泛的应用和重要的技术进展。在许多雷达系统、导航系统、卫星系统和遥控遥测等系统中，圆极化天线是一种常用的天线形式。圆极化天线有利于对空间电磁波的接收，同时还能够抑制雨雾反射杂波的干扰。开展低成本、小型化、低剖面的圆极化天线的研究具有重要的实际意义。

1 圆极化微带天线介绍

天线系统的功能是完成发射机和接收机与空间电磁波之间的能量转换，它具有辐射方向性和极化等指标特性，对无线系统的性能起着关键作用[1]。天线辐射出的是电磁波，电磁波在空间里进行传播可以选择不同的极化方式。所谓极化是指天线在辐射电磁波时其电场矢量在空间内的指向。所谓极化天线就是指天线辐射出的电磁波要具有一定的极化性能。常见的极化方式有圆极化、线极化和椭圆极化等等。线极化是指天线辐射出的电磁波在一条直线上来回振动向前传播；圆极化或椭圆极化波是指天线辐射的电磁波绕传播方向沿着圆形或椭圆形路径转动向前传播。

根据电磁波极化的定义[2]，假设考察的电磁波为完全极化波，且为正弦振荡的电磁信号，瞬态电场矢量E在x轴和y轴上的分量分别为Ex和Ey，则在z=0位置处的瞬态电场可写为：

式中，ex和ey分别为x轴和y轴上的单位矢量，δ为Ey超前Ex的相位，公式推导表明，该电场矢量随着时间变化的空间轨迹为一个椭圆；假设该椭圆的椭圆倾角为τ，它为椭圆的长轴与x轴的夹角，椭圆的轴比为长轴电场分量与短轴电场分量之比；当两个极化分量同相时，即δ＝0，该电磁波为线极化波，当δ＞0时，该电磁波为左旋椭圆极化波，当δ＜0时，该电磁波为右旋椭圆极化波，当δ＝90°且两个极化分量振幅相同时，该电磁波为圆极化波。

在圆极化天线中，微带印刷天线是一种最为常用的天线形式。微带天线具有易于实现圆极化、结构简单、成本低廉、加工方便、剖面低、易于与载体共形、易于与有源电路集成、设计灵活、易于实现多频段工作模式等优点，圆极化天线具有增强信号质量、抑制雨雾反射、提高天线系统效率等优点，因此由微带印刷天线与圆极化技术结合而成的圆极化微带天线获得了广泛的应用和深入的研究[3]。

2 圆极化微带天线的应用

一个圆极化波可以分解为两个在空间上和时间上都互相正交的振幅相等的线极化波；任意一个椭圆极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波，即左旋和右旋圆极化波；圆极化天线具有旋向正交性，即：左旋圆极化天线和右旋圆极化天线不能兼容，左旋圆极化天线只能接收左旋圆极化波，而右旋圆极化天线也只能接收右旋圆极化波却不接收左旋圆极化波；当某一圆极化波入射到平面和球面等对称目标的表面时，其反射出的电磁波旋向与入射波相反。由于圆极化波的这个特性，圆极化天线在抑制雨雾阻碍干扰等方面具有优异性能。因此圆极化天线被广泛应用于遥感遥测、卫星通信系统、气象雷达系统、电子侦察与电子干扰系统中。在射电天文学和遥测遥感设备中，采用圆极化天线，可以有效地消除一些由电离层的法拉第旋转效应而引起的各种极化畸变影响；同时由于圆极化天线良好的接收性能，在现代电子对抗中还可以使用圆极化天线来侦察敌方的多数极化方式的电磁信号；在航天器和飞机等高速运动的物体上，安装圆极化天线，也能够更为有效的接收到电磁信号。

3 圆极化微带天线的频带展宽方法

传统的一般形状的微带天线有一个固有的缺点就是工作频带太窄，其相对带宽大约仅有百分之几。然而微带天线的方向图带宽并不窄，所以限制其工作频带的主要因素是阻抗带宽。

近年来，随着各种新式无线设备的设计与实现，对圆极化微带天线的频带宽度要求也越来越高。为了展宽圆极化微带天线工作频带的带宽，若不给定天线导体贴片的形式，可以从改变导体贴片的形状、改变贴片的结构和选择不同的贴片材质等途径进行改善。

而对于已经给定的贴片形式，则可以从降低Q值、修改等效电路为多调谐回路、改进馈电方式、采用阵列技术等四条途径寻求突破。降低等效电路的Q值可以采用增大基片厚度h和降低基片相对介电常数εr，或是增大tanδ等方法；修改谐振回路可以采用加载U形缝隙，附加寄生贴片（双层或共面配置），采用多层结构等方法；改变馈电方式可以采用附加阻抗匹配网络，利用L形探针馈电和应用电磁耦合馈电等方法；利用阵列技术可以采用对数周期阵结构或行波阵等方法。

对于不同厚度的介质贴片，通常可利用经验公式得到圆极化带宽与介质基片厚度的关系为：