一种Z形宽频带圆极化天线设计

王洪琳，王孟宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

现代无线通信中越来越多地应用圆极化天线，因为它们可以抑制多径干扰并减轻发射天线与接收天线之间的极化失配。由于微带天线具有低剖面和低成本等优势，人们通常利用微带天线得到圆极化特性[1-4]。然而，微带天线固有的窄带特性限制了其在宽带圆极化天线中的应用，特别是对于单馈圆极化微带天线[3-4]。为了提高轴比带宽，人们已经提出了很多有效的方法。例如：文献[5]通过加载寄生结构展宽轴比带宽；文献[6]采用具有金属通孔和分支的交叉偶极子来实现29.0%的轴比带宽；文献[7]采用环天线结构，并加载寄生结构实现30%的轴比带宽；文献[8]引入重叠的正方形环形天线，可以产生33%的轴比带宽和53%的阻抗带宽；采用L形槽产生正交模式激发圆极化波，天线具有47.8%的轴比带宽。但是，这些具有超过30%轴比带宽的天线[8-11]由于其不对称结构而具有较差的方向图。文献[12-14]提出一些带有各种馈电网络的宽带圆极化天线，但是它们的结构对实际工程应用而言太过复杂。

因此，文献[15]提出采用Z形偶极子激发圆极化波，通过增加一对寄生贴片以得到宽带特性。本文在其基础上，采用Γ形馈电结构，并通过开圆形槽、增加枝节来进一步改善轴比带宽。仿真结果表明，天线的阻抗带宽为80%，轴比带宽为58%。

1 天线结构与设计

Z形圆极化偶极子天线的结构如图1所示。天线由开圆形槽的Z形偶极子、两对寄生贴片Pa与Pb、Γ形馈电结构以及地板组成。其中，偶极子和寄生贴片印刷在天线顶部的FR4介质板下表面，介质板的尺寸为125 mm×125 mm×0.6 mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。偶极子前端采用锥形设计，以达到更好的阻抗匹配。偶极子与地板之间形成磁电偶极子结构，等效磁偶极子中间是Γ形馈电结构，下端与一个50 Ω的微带转接头(SMA)连接器相连接。最下方的正方形地板边长为170 mm。

图1 天线结构示意图

通过将偶极子臂弯曲成L形，可以获得圆极化特性。为了分析圆极化的工作原理，图2给出了3个频点处偶极子和寄生贴片上的表面电流分布，其中黑色箭头表示经过叠加之后总电流的方向。

在1.9 GHz时，电流在偶极子与寄生贴片表面分布，当相位等于0°时，偶极子臂表面的电流向+y方向流动，而寄生贴片表面的电流向+x方向流动；而当相位等于90°时，偶极子臂与寄生贴片表面电流沿着-x和+y方向流动，叠加后的总电流方向与0°相位时的方向正交，并且随着相位的增加沿着逆时针方向转动，因此叠加之后的总场形成右旋圆极化。在2.5 GHz时，90°相位时叠加后的总电流方向与0°相位时的总电流方向正交，并且随着相位的增加沿着逆时针方向转动，因此实现右旋圆极化。同理，在3 GHz时，0°相位时的总电流方向沿逆时针方向旋转90°，形成右旋圆极化波。

图2 表面电流分布图

2 仿真分析

图3、图4和图5分别给出了天线驻波比、轴比以及增益的仿真结果。结果表明天线在1.50～3.52 GHz工作频段内，驻波比小于2；在1.79～3.27 GHz频段内，轴比小于3 dB。另外，在整个工作频段(1.79～3.27 GHz)内增益保持稳定，且均大于3.4 dBic。

图3 天线驻波比曲线

图4 天线轴比曲线

图5 天线增益曲线

从图中可以看出，在1.50～3.52 GHz的频带内，驻波比小于2，天线阻抗匹配较好；在1.79～3.27 GHz的频带内，轴比小于3 dB。在整个工作频带(1.79～3.27 GHz)内，天线增益比较稳定，且在1.7～2.9 GHz的频段内增益较高。

图6给出了天线在1.9 GHz、2.5 GHz以及3.0 GHz的归一化远场辐射方向图，包括XOZ平面和YOZ平面，从图中可以看出，天线在工作频带内具有稳定的右旋圆极化模式，其中，天线中高频辐射方向图的最大值偏移是由于天线结构不对称性的影响。

图6 天线的归一化远场辐射方向图

3 结束语

本文进一步研究了单馈偶极子圆极化天线，为设计宽带偶极子圆极化天线提供了一种有效的方法。在传统偶极子天线基础上通过将偶极子臂弯折为L形，调整长度来实现天线圆极化特性，并通过增加寄生贴片、调整贴片尺寸的方法来改善阻抗带宽，通过增加枝节以及开圆形槽的方式提高轴比带宽，不断优化并进行仿真，使得该天线在1.50～3.52 GHz的频带内满足VSWR<2，在1.79～3.27 GHz的工作频带内满足AR<3，平均增益为8 dBic。由仿真数据可知，实现了天线在相应频段内的圆极化以及超宽带特性，用以提升天线的抗多径干扰、抑制雨雾干扰，并且能够增加信道容量，为实际工程应用提供了一种较为简单合理的设计方法。

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