小型化宽频带圆极化半圆形微带贴片天线

杨 放，卫铭斐，周军妮，王 纯

(西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

单点馈电的微带贴片天线具有尺寸小、成本低廉、结构简单、易于共形、便于集成、可批量生产、多样化的电性能等优点，而圆极化的极化方式具有抗干扰能力强、对天线指向要求低的特点，因此，无论在军事还是民用方面，圆极化微带贴片天线都备受青睐[1-2]。但是普通的微带贴片天线不仅阻抗带宽很窄，而且通过贴片切角[3]、贴片开槽[4]、非对称的贴片边界[5]等方法实现圆极化辐射时，圆极化带宽也很窄，难以满足无线通信系统对天线阻抗和圆极化带宽的要求。因此，研究小型化、圆极化、宽带化微带贴片天线的设计方法具有很重要的意义。

单点馈电的单贴片微带天线实现圆极化的方法的物理本质是通过在贴片上引入非对称扰动形成两个相位差是90°的正交模式，因此其圆极化带宽很窄[6]。为了实现双频和宽带工作，可采用层叠贴片[2，7-8]、共面无源寄生贴片[9]等方法，但是这两种方法增大了天线的尺寸。采用较厚的空气介质、耦合馈电补偿探针电感的方法展宽带宽，可将天线的圆极化带宽提高到6%左右[10]。文献[11]通过在接地板上开非对称的十字形槽实现圆极化，虽然圆极化带宽达到了30%，但是天线的辐射是双向的，增益很低。贴片上开U形槽[12]和E形贴片[13]是展宽微带天线阻抗带宽的两种常用方法，可把阻抗带宽提高到30%以上。文献[14]提出在半圆形贴片上开矩形槽实现天线的宽带工作。和E形贴片相比，半圆形微带天线具有更小的贴片面积。文献[15]提出在贴片上开非对称的U形槽实现圆极化，圆极化带宽为4%。文献[16]提出了非对称的圆极化E形贴片天线，把单贴片微带天线的圆极化带宽提高到了6.5%，阻抗带宽为10.1%。文献[17]把开U形槽、L形探针馈电、较厚的空气介质和贴片切角相结合实现宽带圆极化，当介质厚度为0.2个波长时，最大圆极化带宽达到了14%。

针对无线通信中单贴片圆极化微带贴片天线带宽很窄的问题，本文提出了小型化半圆形宽频带圆极化微带天线。该天线可应用在2.4 GHz短距离无线通信领域，其设计思想也可用于其他频段无线通信中微带贴片天线的设计。

1 微带贴片天线圆极化的原理

图1是一个普通的同轴探针馈电对角线切角的圆极化微带贴片天线的辐射贴片。在正方形金属贴片对角上切去一个角，天线的基本模式分解为对角线上两个不同频率的正交模式(模式1和模式2)。在某个频率点，两个模式的相位差为90°，合成后形成圆极化辐射。因为只在一个频率点两个模式的相位差是90°，因此天线的圆极化带宽很窄。天线轴比AR定义为[6]

(1)

式(1)中，Eθ，Eφ分别为辐射电场在两个θ，φ两个方向的分量。天线的圆极化带宽定义为最大辐射方向上轴比小于3 dB的频率范围。

天线的回波损耗定义为[18]

S11=20lg|Γ|

(2)

(3)

式(3)中，Zin，Z0分别为天线的输入阻抗和传输线的特性阻抗。天线的阻抗带宽定义为回波损耗小于10 dB的频率范围。对于微带贴片天线，其阻抗带宽和圆极化带宽通常是重合的，圆极化带宽小于阻抗带宽，其带宽与介质基板的厚度、介电常数等参数有关。

2 宽带圆极化半圆形微带贴片天线

图2是本文提出的圆极化半圆形微带天线的顶视图和侧视图。在直径为72.5 mm半圆形金属贴片上开两个矩形槽，不仅两个槽的尺寸不同，而且与馈电点的距离也不同。两个槽的长度分别为32.1 mm和15.7 mm，与馈电点的距离分别为9.2 mm和11.0 mm，宽度为4 mm，馈电点位于半圆形贴片的对称轴线上。介质层为1.6 mm的廉价FR4环氧树脂板和13.4 mm的空气层组成的层叠介质。在FR4介质层的另一侧印刷一个半径为4.5 mm的圆形金属贴片，和半径为0.6 mm的圆柱形馈电探针形成容性临近耦合馈电，补偿较长馈电探针引起的分布电感。天线的接地板为边长为100 mm的正方形金属板。馈电同轴线的特性阻抗为50 Ω。

在设计中，要求天线工作在2.4～2.5 GHz，在轴向形成圆极化辐射，并具有较小的尺寸、较宽的波束宽度和较高的增益，同时尽可能增大天线的阻抗和圆极化带宽。其设计思想是通过开不同尺寸的槽在贴片上形成旋转的电流分布实现圆极化，通过临近耦合的馈电方式展宽天线的阻抗和圆极化带宽。在设计的过程中，通过改变贴片的大小调节天线的工作频率，改变馈电点的位置、耦合贴片的尺寸调节天线和传输线的阻抗匹配特性，调节开槽位置和尺寸调节天线的圆极化特性，经过仿真分析和参数优化得到最终的设计结果。

3 仿真结果及分析

为了验证提出的方法的有效性，本文应用美国高频电磁仿真软件ANSOFT HFSS15.0对该天线进行了仿真分析和设计。图3是天线的回波损耗S11和轴向轴比AR随频率的变化曲线。可见，天线在2.30～3.04 GHz频率范围内S11<-10 dB，阻抗带宽达到了27.7%；天线在2.37～2.54 GHz范围内AR<3 dB，圆极化带宽为6.9%。

天线的圆极化辐射特性可由天线上的电流分布的变化得到分析。图4给出了天线在2.45 GHz，ωt=0°，90°，180°，270°等一个周期内四个不同时刻贴片上的电流分布。可以看出，贴片上的电流随时间的变化按照逆时针方向旋转，因此天线在轴向形成右旋圆极化辐射。图5为2.45 GHz时天线的三维增益方向图，其右旋圆极化分量增益大于6 dB，左旋圆极化分量增益小于-5 dB，并且方向图具有良好的波束对称性。

表1比较了本文提出的半圆形圆极化微带天线和文献[15]提出的开U形槽的圆极化微带天线、文献[16]提出的E形圆极化微带天线的辐射贴片面积、天线总尺寸、阻抗带宽和圆极化带宽。可以看出，和圆极化E形微带天线相比，本文提出的半圆形圆极化微带天线贴片面积缩小了40%，而且具有更大的阻抗和圆极化带宽，在展宽带宽的同时实现了天线的小型化设计。

表1 本文天线与文献[15-16]天线比较

Tab.1 Comparison with reference[15-16]

贴片面积/mm2阻抗带宽/GHz,%圆极化带宽/GHz,%天线总尺寸/mm本文结果(半圆形微带天线)2 0642.30～3.04,27.72.37～2.54,6.9100×100×15文献[15](开U形槽的微带天线)1 9982.27～2.48,92.27～2.36,4102×102×11文献[16](E形微带天线)3 4202.35～2.60,10.12.38～2.54,6.5200×95×10

4 结论

本文提出了宽带圆极化小型化微带贴片天线。该天线通过在半圆形贴片上开一组非对称槽和临近耦合馈电的馈电方式实现了宽带圆极化辐射。仿真结果表明，当介质层厚度为0.13个波长时，天线的圆极化带宽可达6.9%。该天线可应用于无线通信领域。

参考文献:

[1]仲从民，余彦民，赵建中,等.毫米波圆极化微带天线阵[J].探测与控制学报，2007，29(3)：49-51.

[2]杨帅，冯全源.缝隙加载的宽频带圆极化微带天线[J].探测与控制学报，2009，31(5)：77-80.

[3]Saurabh Kumar，Dinesh Kumar Vishwakarma.Compact fan shaped circularly polarized microstrip patch antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2016，58(4)：882-886.

[4]Bernard Loo B K，Nasimuddin， Alphones A. An e-shaped slotted-circular-patch antenna for circularly polarized radiation and radiofrequency energy harvesting[J]. Microwave and Optical Technology Letters，2016，58(4)：868-874.

[5]Reddy V V，Sarma N V S N.Triband cicularly polarized Koch fractal boundary microstrip antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13(13)：1057-1060.

[6]Anda Raluca Guraliuc，Alice Buffi，Roberto Caso，et al.Axial ratio analysis of single-feed circularly polarized resonant antennas [J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2014，28(6)：716-728.

[7]Qian Kewei，Tang XiaoHong.Compact LTCC dual-band circularly polarized perturbed hexagonal microstrip antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：1212-1215.

[8]Wang Zhongbao，Fang Shaojun，Fu Shiqiang, et al.Single-fed broadband circularly polarized stacked patch antenna with horizontally meandered strip for universal UHF RFID applications[J].IEEE Trans.On Microwave theory and Techniques ，2011，59(4)：1066-1073.

[9]Chang T N，JiangJ H. Enhance gain and bandwidth of circularly polarized microstrip patch antenna using gap-coupled method[J].Progress in Electromagnetic Research，2009，96：127-139.

[10]Ma Jinping，Kouki Ammar B，Rene Landry Jr..Wideband circularly polarized single probe-fed patch antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2012，54(8)：1803-1808.

[11]Chen Jhih-Ming，Row Jeen-sheen.Broadband slotted patch antennas with circular polarization[J].Microwave and Optical Technology Letters，2015，57(5)：1140-1143.

[12]Khodaei G F，Nourinia J，Ghobadi C.A practical miniaturized U-slot patch antenna with enhanced bandwidth[J].Progress in Electromagnetic Research B，2008，3：47-62.

[13]Yang Fan，Zhang Xuexia，Ye Xiaoning, et al.Wide-band E-shaped patch antennas for wireless communications[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2001，49(7)：1094-1100.

[14]Ansari J A，Singh Prabhakar，Nagendra Prasad Yadav, et al.Analysis of wideband half circular disk patch antenna loaded with two symmetrical notches[J].Microwave and Optical Technology Letters，2009，51(8)：1880-1883.

[15]Tong Kin Fai，Wong Ting Pong.Circularly polarized U-slot antenna[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2007，55(8)：2382-2385.

[16]Khidre Ahmed， Lee Kai Fong， Yang Fan, et al.Wideband circularly polarized E-shaped patch antenna for wireless applications[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine，2010，52(5)：219-229.

[17]Yang S L S，Lee K F，Kishk A A.Design and study of wideband single feed circularly polarized microstrip antennas[J].Progress in Electromagnetic Research，2008，80：45-61.

[18]刘学观，郭萍辉.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.