一种双频双圆极化共面波导馈电缝隙天线

赵文奇，韦 高

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

随着现代通讯技术的发展，单一极化方式已难满足要求，圆极化天线的应用就变得愈加重要。因此，近年来对圆极化天线的研究越来越广泛。其中，利用共面波导（CPW）馈电的缝隙天线已经获得了相当的关注，由于其良好的特性，如易加工，低剖面，宽带宽以及容易实现与无源、有源器件在微波电路中的串并联（不需要在基片上穿孔），容易提高电路密度等。实际上，已经提出了多种类型的圆极化共面波导馈电缝隙天线[1－8]。例如通过在接地平面相连一个倒L型导带[1]或两个螺旋型导带[2]来实现双频圆极化，或是包括导带蚀刻天线[3]，双单极子天线[4－6]，圆环缝隙天线[7]在内的各种结构都可以实现圆极化性能。2008年，J．Y．Sze提出了添加一对倒L型接地带的共面波导馈电缝隙天线[8]。文中，利用改进的开口接地环形导带以及添加水平短截线的结构来使所设计天线实现双频双旋向圆极化辐射。仿真和实验结果表明了所设计天线的性能，它可以应用在GPS和WLAN系统上。

1 天线设计

所设计的天线采用厚度为1 mm的FR4介质基板，相对介电常数为4．4，天线的结构及具体参数如图1（a）所示。两开口接地环形导带相对放置，其水平短截线与信号带相连。开口环形导带影响所覆盖的频带范围，连接在信号带上的水平短截线对于阻抗带宽和轴比带宽都有着重要的作用。所设计天线使用的信号带不同于传统的形式[1]，信号带的宽度要宽于馈电带，用来改善阻抗带宽。开口环形导带的两条边的长度会影响双频的频段，顶部右侧的开口环形导带开口位置的不同主要是为了提高轴比带宽。天线在低频段辐射右旋圆极化，在高频段辐射左旋圆极化。

2 仿真与实测结果分析

图1 圆极化天线Fig．1 Circularly polarized antenna

采用Ansoft公司的商业软件HFSS[9]对天线进行仿真，并根据仿真模型制作了天线实物，如图1（b）所示。该天线的S11曲线如图2（a）所示，仿真结果与实测结果有较好的一致性。从测量结果中可以看到，其小于－10 dB的S11曲线覆盖两个频段，分别是从 1．4～1．85 GHz（带宽=450 MHz，27．69%），以及从 2．075～2．7 GHz（带宽=625 MHz，26．17%）。图 2（b）显示的是天线的轴比曲线。实测两波段轴比带宽分别是20．51%（从 1．4～1．72 GHz）和 13．44%（从 2．36～2．7 GHz）。 仿真和实测结果的差异主要是由加工误差以及测试误差引起的。

图2 天线S11、轴比仿真与测试结果Fig．2 Simulated and measured S11， axial ratio of the antenna

图 3 天线电流分布：（a） 1．55 GHz and （b） 2．55 GHzFig．3 Simulated current distributions:（a） 1．55 GHz and （b） 2．55 GHz

图3 给出了所设计天线分别在1．55 GHz和2．55 GHz处的00，450和900的电流分布。可以观察到电流分布的变化趋势是，在 1．55 GHz 是右旋的，在 2．55 GHz 处是左旋的，这与以下事实相一致，即1．55 GHz处天线辐射右旋圆极化，2．55 GHz处天线辐射左旋圆极化。

图4 天线方向图测试结果Fig．4 Measured radiation pattern of the antenna

1．55 GHz和2．55 GHz处方向图的测试结果如图4所示。由于所设计的天线是双向辐射，因而天线的两侧具有相反的极化特性。测量天线的增益如图5所示，在1．55 GHz频段为3．3～3．69 dB，在 2．55 GHz 频段约为 3．12～3．81 dB。

图5 天线增益Fig．5 Gain of the antenna

3 结 论

一种新型的双频段双旋向圆极化共面波导馈电矩形缝隙天线被设计并进行实测。其结果显示天线具有良好的圆极化性能以及较宽的轴比带宽。实测的阻抗和轴比带宽结果是，在 1．55 GHz 频 段分别是 27．69%和 20．51%，在 2．55 GHz频段分别是26．17%和13．44%。在两频段内可以获得峰值增益分别为 3．69 dB 和 3．81 dB。 +z 方向， 天线在 1．55GHz 和2．55 GHz频带分别辐射RHCP和LHCP极化，其工作频段可用于WLAN和GPS系统。

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[9]HFSS version 11．0[C]//Ansoft Software Inc．，2007．