一种耦合馈电的双频圆极化缝隙天线的设计

王小毅，杨国敏，石艺尉

(复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室，上海200433)

通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机.在众多的天线类型中，微带天线已成为当前研究的前沿之一，具有重要的研究意义与广泛的实用前景.特别是微带缝隙天线，以其重量轻，剖面薄，平面结构，易与载体共形，馈电结构可与天线结构一起制成等优点已经引起天线设计者的广泛关注，且在无线通信领域得到了广泛的应用［1-5］.随着全球定位系统在全球的快速发展，中国的北斗导航逐渐发展和完善，微带天线在卫星通信及卫星导航领域也得到广泛使用.圆极化天线具有能够接收任意线极化的来波的特性，同时其辐射波可以被任意线极化天线接收.因此在多频段卫星导航技术中，可同时接收多个频段信号的多频圆极化微带卫星接收天线也得到了越来越广泛的关注［6-10］.

已有的研究结果表明，通过对微带天线进行切角、开槽、正交双馈及使用多个线极化辐射元，调节各个单元相对位置等方法，可以实现天线的圆极化特性.大多数的双频圆极化天线则是通过双馈、寄生单元耦合，增加集总元件等形式实现的［11-18］，如文献［14］通过二极管开关实现了双频圆极化的设计;文献［15］则是通过双端口的馈电网络实现天线的双频圆极化;文献［16］则是利用多层结构的设计，通过激励端对寄生单元耦合馈电实现了天线双频圆极化的特性.然而这些天线通常结构较为复杂，需要馈电网络或者增加寄生层，从而增加了天线制造成本.

本文设计了一种采用微带线耦合馈电的双频带圆极化缝隙微带天线.该天线充分利用了开槽缝隙实现了双频带圆极化.天线的谐振频点和圆极化可以通过调节4个长短不等的缝隙臂及中心正方形环状缝隙的大小实现.该天线具有相对较宽的阻抗匹配带宽和圆极化带宽，右旋圆极化和左旋圆极化分别在低频段和高频段同时实现.整个天线结构简单、体积较小、成本较低，便于加工，适用于室内无线通信系统，卫星导航等领域.

1 天线结构

天线结构如图1(a)所示，该微带缝隙天线正面由1个正方形环状缝隙和4个长度不等且成正交结构的缝隙臂组成.正方形环的内外环边长分别为a和b.4个长短不等的缝隙臂依次为L1，L2，L3和L4，缝隙宽度均为0.5 mm.整个天线地面为一个正方形，其边长为W.天线背面为一根居中的50欧姆的微带线，微带线的末端接一个和正面相同的正方形贴片用以提高天线的阻抗匹配，如图1(b)所示.微带馈线与天线之间为一层厚度为1.6 mm的FR-4介质板，介质板的介电常数为4.2，损耗为0.02，如图1(c)所示.馈线与天线通过耦合进行馈电.4条缝隙臂分别与微带馈线成45°、135°、225°和315°夹角.

图1 微带缝隙天线的几何结构Fig.1 Structure of the proposed antenna

传统的矩形环状微带缝隙贴片天线中，天线的谐振频率由矩形环的内外径边长a和b的大小决定，其值可近似为:

其中，c0表示光速，εe表示介质板等效介电常数.在该天线设计中，为了同时实现天线的双频谐振，在正方形环上引入了L1和L2来增加不同的表面电流路径.天线的低频谐振频率由正方形环状缝隙的尺寸及L1的长度来决定.正方形环越大，L1越长，低频谐振频率就越低.而高频谐振频率则取决于正方形环状缝隙的尺寸及L2的长度.通过调节L3和L4的长度可以实现正交的电场，实现天线的双频圆极化.

为了实现较好的圆极化性能及阻抗匹配，在天线设计中L1和L3的长度相差大约为低频段中心频率波长的1/8倍，且当L1＞L3时，天线的极化特性为右旋圆极化.类似的，L2和L4的长度相差大约为高频段中心频率波长的1/8倍，且当L2＜L4时，天线的极化特性为左旋圆极化.所以通过调节4个不同的缝隙臂的长度即可同时实现天线的双频圆极化特性.

2 天线的仿真与测量

本文中使用IE3D电磁仿真软件，通过调节优化上述天线尺寸，对天线进行了仿真设计.天线尺寸如表1所示.通过仿真实现了天线在1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz的双频带圆极化谐振，并具有良好的工作带宽和辐射特性，其中低频带为右旋圆极化，高频带为左旋圆极化.根据优化结果，对仿真的天线进行了样品加工，如图2所示，并对样品天线进行了测量.

图3是天线的反射系数仿真与测试结果曲线，测试使用的是Agilent E8364C网络分析仪.从图3可以看出，天线在1.220～1.539 GHz和2.740～3.047 GHz两个频带反射系数都小于 －10 dB，天线在这两个频带具有较好的阻抗匹配.其中低频带阻抗匹配带宽为22.1%，高频带阻抗匹配带宽为10.7%.

图4是天线的轴比(Axial Ratio，AR)特性仿真与测量曲线.从图4可以看出天线在1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz两个频段的轴比都在3 dB以下，实现了较好的圆极化性能，其中低频带圆极化带宽为6.2%，高频带圆极化带宽为2.3%.图5是天线的辐射特性方向图，天线在1.44 GHz为右旋圆极化，最大增益为3.2 dBi;在2.86 GHz为左旋圆极化，最大增益为3.1 dBi.天线的主瓣辐射方向和天线辐射面方向略有偏差，这主要是由于天线缝隙臂长度不完全对称引起的.

表1 天线尺寸表Tab.1 Dimensions of the proposed antenna

图2 样品天线实物图Fig.2 Photograph of the proposed antenna

图3 天线反射系数仿真曲线Fig.3 Simulated and measured|S11|of the proposed antenna

图4 天线轴比仿真与测量结果Fig.4 Simulated and measured axial ratio results of the proposed antenna

图5 天线在1.445 GHz及2.860 GHz的辐射方向图Fig.5 Simulated and measured radiating patterns at 1.445 GHz and 2.860 GHz

3 结论

本文设计了一种结构简单的双频圆极化微带缝隙天线.通过正方形环状缝隙结构和4条不同的缝隙臂实现了1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz两个频带的阻抗匹配和圆极化性能，其中低频带为右旋圆极化，高频带为左旋圆极化，两个频带的最大增益均大于3 dBi.该天线尺寸较小，结构简单，易于加工且具有良好的工作带宽及双频圆极化特性，可以应用于无线传播系统及卫星导航等领域.

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