宽频带圆极化交叉偶极子天线设计

卢　红，张文梅，韩丽萍，薛　哲，陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

近年来，无线能量收集系统已经引起了国内外的广泛关注，其中天线是整个系统的关键部分之一，很多文献对接收天线进行了研究[1-5]. 文献[1]设计的接收天线实现了5.8 GHz的能量收集，但空间环境中电磁波信号的功率密度比较低，并且分布在多个频带. 文献[3]设计了可以在0.55, 0.75, 0.9, 1.85, 2.15和2.45 GHz六个频带工作的天线，但天线结构比较复杂. 文献[4]利用两组扇形交叉偶极子实现了1.7～3.0 GHz的宽频带双极化天线. 然而，空间中电磁波的极化方向是随时改变、不可预测的，线极化和双极化天线都会造成比较大的极化失配损耗，因此，宽频带圆极化天线在能量收集方面更受青睐. 文献[6]采用两组末端比较宽的矩形交叉偶极子，实现了2.3～2.9 GHz宽频带内的圆极化特性. 文献[7]利用印刷在介质基板上层的4个开口谐振环作为条形交叉偶极子的寄生单元，实现了较宽圆极化带宽和阻抗带宽. 文献[8]中,印刷在同一介质基板上的两个倒钩形偶极子和两个蝴蝶形交叉偶极子形成了双宽带圆极化天线. 文献[9]通过使用不对称的蝴蝶结交叉偶极子使圆极化带宽提高到51%，阻抗带宽提高到57%. 文献[10]采用了阶梯式矩形交叉偶极子结构和不规则的地，使轴比带宽和阻抗带宽分别扩大到55.1%和66.9%. 文献[11]采用一个寄生单元和简单的蝴蝶结偶极子天线将圆极化带宽和阻抗带宽提高到58.6%和68.9%. 这些文献虽然都实现了宽频带的圆极化性能，但所实现的频段没有同时覆盖GSM、LTE、WLAN等频段，为了能量收集系统能够尽可能多地收集空间中的能量，需要设计阻抗带宽和轴比带宽更宽的天线.

本文介绍了一种可以用于能量收集的宽频带圆极化交叉偶极子天线. 通过在两组交叉偶极子之间插入3/4圆环来实现圆极化特性，在每组矩形交叉偶极子天线上增加两条分支线，同时在偶极子的边缘切角，进而有效拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽.

1　天线设计

本文设计的宽频带圆极化天线如图 1 所示. 天线由两组垂直交叉放置的带L形分支线的矩形偶极子、两个3/4圆环、一个反射板、同轴馈线构成. 两组偶极子分别印刷在相对介电常数为2.2，损耗角为0.000 9，厚度为31 mil，大小为80×80 mm2的RT/Duroid5880介质基板的两面. 其中，两组偶极子由4个矩形贴片加载两对L型分支线和在边缘切角变化而来. 印刷在介质基板中心正反面的两个3/4的圆环分别连接两组偶极子的一端，形成90°相位差. 整个天线的上下层通过50 Ω同轴线馈电，上层与同轴线的内芯相连，下层与同轴线的外层相连，天线放置在距离反射板H处.

图 1　天线结构图Fig.1　Configuration of antenna

天线各部分参数如表 1 所示.

表 1　天线的各部分尺寸

设计的天线由两组矩形偶极子天线变化而来，将只有两组矩形偶极子的天线作为天线1； 在矩形贴片的偶极子上增加一组L型分支线的天线作为天线2； 带有L型分支线的偶极子天线2的边缘切角后的天线作为天线3(本文提出的天线). 图 2 给出了天线1，天线2和天线3的回波损耗和轴比图. 从图2(a)中可以看出，在天线1的基础上增加L型分支线和切角后，在高频段引入了新的谐振点，有效地拓宽了天线的阻抗带宽； 从图2(b)可以看出，增加分支线后整个频带内的轴比减小，两组偶极子的边缘切角使得两个圆极化谐振点远离，且两个谐振点之间频带内的轴比都小于-3 dB，有效地拓宽了轴比带宽.

图 2　各参考天线回波损耗S11和轴比图Fig.2　Simulated return loss and aixal ratio of the reference antennas

2　参数分析

图 1 中提到的宽带圆极化交叉偶极子中，所加载的L型分支线由两部分构成，其中长度l21对天线的阻抗带宽和轴比带宽有明显的影响，长度l22的变化对天线性能影响不大，在偶极子天线边缘切去的三角形中，边长b的长度对天线的性能有明显影响，在分析某一参数对天线性能影响时，其它参数均保持不变. 图 3 给出了L形分支线中l21的长度对天线回波损耗S11和轴比带宽的影响. 图 4 给出了切去三角形的边长b对天线S11和轴比带宽的影响.

图 3　l21对天线性能的影响Fig.3　The effect of parameter l21 on antenna performance

图 4　b对天线性能的影响Fig.4　The effect of parameter b on antenna performance

从图 3 可以看出，随着l21的减小，阻抗带宽变宽，通带内的匹配特性变好，两个圆极化谐振点远离，且两个谐振点之间的频带内的轴比逐渐减小. 从图4中可以看出，切角b的改变对天线S11基本没有影响，但对轴比带宽影响较大. 随着b的减小，高频段的谐振点保持不变，低频段的谐振点向低频移动，有效的拓宽了天线的轴比带宽，所以b选择为7 mm.

3　优化结果

根据图 1 所设计的宽频带圆极化天线，在软件HFSS中建立模型并进行电磁全波仿真. 通过参数分析后，得出了如表 1 所示的最优参数. 图 5～图 7 给出了最优参数下宽频带圆极化天线的仿真结果.

图 5　天线的S11和轴比曲线Fig.5　S11 and axial ratio (AR) of the antennas

图 6　天线的增益Fig.6　Realized gain of the antennae

图 7　天线的辐射方向图Fig.7　Radiation patterns of the antenna

从图 5 可以看出，设计的天线在1.5～5.2 GHz频带内，该天线的S11都小于-10 dB，在1.67～3.77 GHz 频带内，该天线的轴比都小于3 dB. 从图 6 看出，1.5～3.5 GHz增益都可大于5 dBi，随着频率的升高，天线的增益有所降低. 图 7 给出了1.8，2.6，3.5 GHz处的辐射方向图，从图中可以看出右旋圆极化大于左旋圆极化，因此，所设计天线为右旋圆极化天线.

4　结　论

本文设计了一种可用于能量收集的宽频带圆极化天线. 通过在每组矩形交叉偶极子天线上增加两条分支线和在偶极子边缘切掉一个三角形来有效拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽. 仿真结果表明： 设计的天线阻抗带宽为1.5～5.2 GHz(110.4%), 轴比带宽为1.67～3.77 GHz(77%), 包含了GSM，LTE和WLAN所有的频带，轴比带宽范围内最高增益可达7.2 dBi.