圆极化微带天线发展现状研究

武警工程大学研究生大队 孟志豪 张怿成

本文综述了圆极化微带天线的发展现状，对圆极化微带天线的原理、实现方法、改进方法进行了归纳，并分别举了具有一定代表性的例子，最后对圆极化微带天线的发展趋势进行了总结。

引言：天线是发射和接收电磁波的部件，改善天线的综合性能，对于优化整个移动通信系统有着重要意义，圆极化微带天线由于其尺寸小、可抗多径干扰等优良特性而被人们青睐，特别是在无线通信系统中有着很高的应用价值。因此，设计出外部尺寸小型化、辐射特性宽带化的新型圆极化微带天线一直是研究的热点，具有很高的研究价值。

1.圆极化微带天线原理

圆极化微带天线是一种可以发射圆极化波的微带天线，由于圆极化波的特性，圆极化微带天线的相对位置可以自由变化，极化匹配的实现更加容易，还可以可以有效抑制多径干扰。所以圆极化天线可以很好地保证通信的畅通，被广泛应用于移动通信系统当中。其主要性能指标包括：（1）输入阻抗带宽，一般用驻波比（回波损耗）来定义，反映天线与馈线的匹配效果，一般将满足驻波比小于1.5的频率范围定义为阻抗带宽。（2）轴比带宽，是椭圆极化波长轴与短轴之间的比值，一般将满足轴比低于3db的频率范围定义为轴比带宽。（3）增益带宽，增益是天线在某一点场强平方的归一化值，轴比带宽是将满足增益高于某一特定值的频率范围定义为增益带宽。

2.圆极化微带天线的实现

圆极化微带天线常见的实现形式包括单馈点法、多馈点法、圆极化天线阵（吴建军.M合馈电宽带圆极化天线及其阵列技术研究[D].西安电子科技大学,2016）

2.1 单馈点法

单馈点法是在原先具有规则形状的辐射贴片基础上，利用简并模分离单元产生两个等幅正交的简并模,从而产生圆极化波。具体实现方法是引入几何微扰，如图1所示就是在原先相对规则的正方形贴片基础上切去一对三角形切角，图2所示就是在原先圆形贴片的基础上切去了一对正方形切角，该方法难点是要先确定合适的简并模分离单元的几何参数，还要确定一个很好的馈点的位置。其优点是结构简单，成本低，缺点是带宽很窄，相对带宽可能只有大约2%。

图1

图2

2.2 多馈点法

多馈点法是指利用馈电网络产生两个两个等幅正交的输入电流，使得天线激励起等幅正交的模，常见的馈电网络有T形分支结构、Wilkinson功分器，该方法的难点是馈线网络的设计。其优点是增加天线带宽，缺点是馈电网络的设计比较复杂，天线体积较大。如图3所示，裴赢洲（裴赢洲.一种新型圆极化RFID阅读器天线的设计[J].电子科技大学物理电子学院）就提出了一个新型圆极化RFID阅读器天线，该天线就是通过中间的同轴线进行馈电，在利用Wilkinson功分器将能量均分为二，上方馈线长度比下方馈线长度要大四分之一个介质波长，两根馈线分别在左侧和下面给外圈的矩形方环馈电，如图4所示在某时刻的电流瞬时分布，可以看到：矩形方环上下部分电流呈现水平分布，左右部分呈现竖直分布，也就说明已经形成了两个空间上相互正交的线极化电场，可以产生圆极化波。

图3

图4

2.3 圆极化天线阵

圆极化天线阵，就是使用功分组合电路，同时对两个或者多个辐射单元进行馈电，从而使多个辐射单元的能量在空间中叠加，进而改善整个天线的圆极化性能，比如，天线的增益得到大幅提高，轴比带宽得到展宽，但是由于天线单元的数目增加，天线整体尺寸也不可避免地增大。如图5所示，Rahman（Rahman,A Circular Polarization Microstrip Array Antenna With Orthogonal Series-Parallel Feed Network[J].International Journal of Microwave and Wireless Technologies,2018,MRFRP-18-056,1-7）就提出了一种由两个圆极化天线单元组成的圆极化天线阵列，通过介质基板底部的微带线和缝隙构成三端口功分器，将能量平均分配到四个贴片输入端口，两个完全相同的圆极化辐射单元所辐射的圆极化波在空间中相互叠加，从而提高了整体增益，轴比带宽也得到增加，如图6所示，截取了四个瞬时时刻天线辐射单元的电流分布图，可以看到，两个辐射贴片呈现完全相同正交电流分布。

图5

图6

3.增加圆极化微带天线带宽的方法

微带天线虽然有着众多的优点，但是有着一个显著的缺点，那就是带宽一般都比较窄，尤其是像上面提到的单馈点圆极化天线，虽然天线尺寸可以做的很小，但是其相对带宽往往很窄，因此，要对天线进行带宽展宽，才能够使天线更具有实用价值。常见的方法有：加载寄生单元、改良馈电结构。

3.1 加载寄生单元

加载寄生单元是指在原先天线的基础上，另外新增一个或者多个贴片，调节寄生单元的尺寸大小和相对位置，从而实现增大带宽的目的。如图7所示，RongLin Li（RongLin Li,A Novel Broadband Circularly Polarized Antenna Based on Off-Center-Fed Dipoles[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2015,12,5296-5299）提出了一种基于偏心馈电电磁偶极子微带圆极化天线，该天线是利用一个T形微带线和共面微带线作为馈电结构，同时对一组关于中心对称偶极子辐射贴片进行馈电，为减小天线尺寸，对两个偶极子都进行一定的弯折，形成了空间上相互正交的水平部分和竖直部分，同时为了展宽天线带宽，在水平部分下面加了寄生单元，从而弥补了原先天线在高频部分轴比大于3db的不足，也就优化了天线辐射特性，如图8所示。

图7

图8

3.2 改良馈电结构

馈电结构对圆极化微带天线辐射特性有着重要的影响，如图9所示，分支线耦合器是一种常用的四端口功分器件，在端口1输入电流，可以使端口2和端口3之间产生等幅正交的输出电流，常常用于双馈点圆极化天线馈电网络，但是器件尺寸较大，因此杨秀慧（杨秀慧.基于小型化分支线耦合器的UHF RFID双圆极化天线设计[J].西南交通大学）提出了一种改进的新型分支线耦合器，如图10所示，其原理是在原来的基础上，通过在矩形环内加载4个贴片电容的方式，减小整个耦合器的尺寸，使得新型分支线耦合器可被用于更高频的圆极化天线。

图9

图10

4.总结与展望

随着无线通信的飞速发展，人们迫切需要体积小、性能好的天线，因此，圆极化天线的宽带化、小型化是必然的总趋势。但是总的来看，很多方案都有各自的欠缺，想要实用化、量产化还需要更进一步的努力，往往在实现天线宽带化和小型化之间会存在一定的矛盾，比如在天线带 宽过大时，其增益会比较小，又或者天线辐射特性很好但是结构复杂，难以加工制作，因此要根据实际需求，在天线的各项性能中进行一定的取舍，寻求一个可以接受的平衡点。