应用于C波段的宽带圆极化微带天线设计

胡文龙，姜弢

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

应用于C波段的宽带圆极化微带天线设计

胡文龙，姜弢

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

圆极化天线具有可接收任意极化电磁波的优点而被广泛使用，为满足通信需求，宽带圆极化天线应运而生。通过对矩形贴片天线进行结构调整得到一种新型宽带圆极化天线，使用电磁仿真软件CST对此天线进行全波时域仿真分析。仿真结果表明，该天线工作频段为3.8～8.1 GHz，在通带内轴比参数AR＜3的带宽为4～8 GHz，有效地拓宽了带宽。

圆极化天线；宽带；轴比；谐振枝节；表面电流分布

由于圆极化天线不仅可以接收任意极化电磁波，而且由圆极化发出的电磁波可以由任意极化天线接收，因而圆极化微带天线的研究一直都受到专家学者们的关注。随着无线通信技术的发展，微带天线的带宽成为了决定其应用范围的一个主要因素，所以宽带圆极化微带天线的研究应运而生［1］。微带圆极化天线通常可以按其馈电点的个数分为单馈电结构和双馈电结构。双馈电结构与单馈电结构相比，更加容易实现宽带圆极化并且普遍带宽高于单馈。但是馈电结构复杂会增加天线尺寸［2］。对于单馈宽带微带圆极化天线来说，通常可以采用在常规结构（正方形、长方形、三角形、圆形等）辐射贴片上切角［3-5］、开十字型槽［6］、开缝［7-9］和加谐振枝节［10-11］等方法来实现圆极化。除此之外，还有一些非常规图形来实现圆极化，例如：平面双螺旋、螺旋等。

文中提出一种新型的宽带圆极化微带天线，天线的阻抗带宽（S＜－10 dB）为3.8～8.1 GHz，轴比带宽（AR＜3 dB）为4～8 GHz。

1 天线结构与设计流程

文中所提出的超宽带圆极化天线是在矩形贴片的基础上进行了3次改进，使其从基础模型天线1改进为天线4，天线的设计流程如图1所示。

图1 天线设计流程

主要设计思路是在满足S参数的情况下尽可能地增大圆极化的带宽。最终得到天线4的结构和参数如图2所示。图中：L＝16.28 mm，W＝45.12 mm，a＝68.84 mm，b＝33.5 mm，Lt＝2.79 mm，Cx＝3.8 mm，Cy＝2 mm，G＝0.93 mm，d＝10.7 mm，Wt＝3.72 mm，Wf＝2.325 mm，H＝0.7 mm.

图2 天线结构

天线1的顶层贴片与底层贴片形状尺寸完全相同，分别放置在长宽高为a、b、h，介电常数为2.2的介质基板上下两侧。矩形辐射贴片的长为L，宽为W。顶层辐射贴片的馈电位置在中心偏左侧，馈电线的长和宽为Wf、Lf。天线2在天线1的基础上进行改进：在矩形贴片上做一个等腰直角三角形的切角（等腰直角三角形的边长为Cx）。天线3在天线2的矩形贴片的切角一侧加一个矩形谐振枝节（长为Lt，宽为Wt）。根据天线4，在天线3的贴片上再切一个等腰直角三角形的切角（等腰直角三角形的边长为Cy）。

2 仿真结果分析

文中采用时域有限积分算法的CST软件对所设计的天线进行仿真，对天线1～4的S参数、增益、轴比参数、电流分布等进行分析比较。

2.1 S参数研究

天线1～4的S参数仿真结果如图3所示。由图3中天线1～4曲线可以看出，除天线2的改进以外，天线3和天线4的2次改进均使得天线的阻抗带宽均有明显提高。

图3 天线1～4 S参数

2.2 增益

天线4在4、5、7、8 GHz这4个不同频点处，φ＝0时，xoz平面上的左旋圆极化和右旋圆极化方向图如图4所示。主辐射方向均在为θ＝0、φ＝0或φ＝180°，而且交叉极化较小。所以取θ＝0、φ＝0为样点，绘制整个频带的左旋圆极化和右旋圆极化增益曲线如图5所示。可见每次天线结构的改变均使得天线的左旋圆极化增益有略微提高，右旋圆极化增益有略微减小，交叉极化降低。

图4 当φ＝0时不同频点方向图

图5 天线1～4增益曲线

2.3 轴比参数研究

天线1～4的轴比参数取天线最大辐射方向，θ＝0，φ＝0即天线的正上方的方向，仿真结果如图6所示。由于图6中天线1曲线满足AR＜3的区域被分割为2个部分：3.4～4.6 GHz和7.4～9 GHz，但是满足AR＜5的却为3.2～9 GHz，所以如何将中间部分轴比大于3 dB的部分抑制到3 dB以下是本文的工作重点。天线2通过对矩形贴片切角有效的使用，使得圆极化的轴比带宽受到了一些抑制，但是仍达不到设计要求。天线3通过加入矩形谐振枝节将中间不满足AR＜3的部分大部分抑制到3 dB以下，但在这个过程中牺牲了一部分的圆极化带宽。天线4的中间部分的轴比依然完全抑制到3 dB以下，虽然没有使得轴比带宽变宽，但是维持基本没有变化。

图6 天线1～4轴比曲线

2.4 天线的表面电流分布分析

圆极化波是由2个幅度相等、相位相差90°的线极化波产生的，天线表面电流的分布可以很直观地反应天线上2个相互垂直的电流分量的分布情况。由图7每次天线结构的改变都使得天线的表面电流发生变化，使得水平方向的电流与垂直方向的电流大致相等。

图7 表面电流分布图

2.5 测试结果和分析

实际制作后的天线如图8所示。图9给出的是天线4的S参数测试结果，天线在4～8 GHz满足S参数小于－10 dB，实测曲线变化趋势基本与仿真结果一致，但是在4.5～8 GHz损耗较大。图10给出的是天线4的AR参数测试结果，轴比变化趋势大致与仿真结果一致，但是在某些频点出现跳变现象。

图8 天线实物

图9 天线4S参数实测结果与仿真结果对比

图10 天线4轴比参数实测结果与仿真结果对比

3 结束语

在圆极化天线设计中，圆极化带宽是一个十分重要的技术指标，通过在矩形贴片上切角和加入谐振枝节2种手段，很好地拓宽了圆极化的带宽。并通过在馈线一侧贴片上切角对S参数进行良好的控制。但是从测试结果来看，轴比参数在一些频点大于3 dB，可尝试通过加大切角，牺牲一部分轴比带宽的宽度来更好地抑制突出频点的轴比。

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Design of a circularly polarized microstrip antenna used in the C-band broadband

HU Wenlong，JIANG Tao
College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Circularly polarized antenna，which has advantages in receiving arbitrary polarization electromagnetic wave，is used widely.And the creation of broadband circularly polarized antenna meets the current communication demands.This paper introduces a novel broadband circularly polarized antenna by restructuring the rectangular patch antenna，and then applies CST，the electromagnetic simulation software，to do a full-wave and time-domain simulation analysis to this novel antenna.The simulation results show that the novel broadband circularly polarized antenna operates from 3.8 GHz to 8.1 GHz，and its band range within the passband axis ratio（AR）parameter AR＜3 is from 4 GHz to 8GHz.That is to say the band range is broaded effciently.

circularly polarized antenna；broadband；axial ratio；tuning stub；surface current distribution

TN821

A

1009-671X（2014）05-032-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201308013

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201308013.html

2013-08-05.

日期：2014-07-21.

国家自然科学基金资助项目（51209055）.

胡文龙（1989-），男，硕士研究生；

姜弢（1973-），男，教授，博士生导师.

胡文龙，E-mail：shenguimeshen＠163.com.