圆极化贴片天线的研究与设计

吴蔓蔓

摘 要：微带贴片天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲睐，在雷达、移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）等领域得到广泛的应用。同时，圆极化作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支，被广泛的运用，由于其极化特性，使得收发天线间有很强的角度位置定位灵活性，并且能减小信号的多路径干扰等影响。

本文在研究微带天线的现状和原理的基础上，设计了一个工作频段在902-928MHz的M型探针馈电的圆极化微带天线，其主要设计指标：中心频率915MHz，增益8dB，波束宽度90°，前后比大于13dB，驻波比小于1.4，输入阻抗50欧姆。设计期間，利用Ansoft HFSS软件创建了一个M型探针馈电的圆极化微带天线模型，通过仿真，其增益、前后比、波束宽度、驻波比等主要性能参数达到了预期指标。本文还介绍了微带天线的馈电方式以及天线圆极化的原理及实现方法。

关键词：微带贴片天线；M型探针馈电；圆极化；HFSS仿真

1.微带天线的研究背景与意义

微带天线的发展正方兴未艾，应用前景非常广阔。由于应用的需要，微带天线在许多方面还将得到进一步的发展，如天线介质材料的更新，天线的多极化技术，分形技术，光子带隙技术以及计算机辅助设计技术和计算机辅助制造技术等。随着技术的发展以及人们对微带天线的深入研究和探讨，微带天线将会得到更为广泛的应用。

2.微带天线的介绍

微带天线由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和覆盖在它两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一片称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射源，辐射源的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等等。微带天线主要的特点有：体积小，质量轻，低剖面，因此容易做到与高速飞行器共形，且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等），尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件，因而适合大规模生产。在现代通信中，微带天线广泛的应用于100MHz～50GHz 的频率范围。 对于介质层较厚的微带天线采用探针馈电，由于探针较长，导致天线输入阻抗的电感性增强，影响天线的带宽。馈电点可选在贴片内任何位置且避免了对天线辐射的影响。M型探针实际上是对L型探针的改进，它进一步展宽了带宽，其辐射机理与L型探针基本一样。当电流经过M型探针时，在M型探针的垂直部分上产生的电场出现两个同向一个反向的电场分布，其中一正一反两部分电场相抵消，探针上剩余一个方向的电场，从而使贴片达到高效辐射，而在探针前后方向上干扰减小，有利于组成阵列天线。

微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。Lewin对微带的不连续性的辐射首次作了研究，他的分析是基于导体中流动的电流进行的。这个方法也可以用来计算辐射对于微带谐振器品质因数的影响。这个分析是以微带开路端和地板所构成的口径场为基础。按此分析，辐射对于品质因数的影响可描述为谐振器尺寸、工作频率、相对介电常数及基片厚度的函数。理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗。还证明，在用厚的而介电常数低的基片时，开路微带线的辐射更强。

圆极化天线在无线电领域中有重要作用。特别在航天飞行器中，由于飞行器位置姿态的固定，它们的通讯测控设备都要求是共形的、重量轻、体积小而且成本低的圆极化天线。圆极化微带天线就是能满足这些要求的比较理想的天线。

微带天线具有便于实现圆极化的特点，已发展了许多种实现方式：

（1）利用微扰手段的单馈电点法，如准方形贴片、带对角槽或切角的方贴片、有缺口的圆贴片、椭圆贴片、五边形贴片、三角形贴片、方形环和交叉贴片等。

（2）双或四馈电点法，即用幅度相等、相移90度的双馈源馈电，或用相位分别为0度、90度、180度和270度的四馈源馈电，以展宽频带。

（3）利用多个线计划单元的组合。已有二元组合、2*2元组合的N元相位累加组合等多种。一个2*2元实验模型采用厚2.54cm的蜂房基片，测得800MHz到900MHz频带上轴比不低于0.6db。

（4）利用微带弯曲、折角等构成的行波串馈阵列。如城墙线阵等。

辐射或接受圆极化的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要性质：

1.圆极化是一个等辐的瞬时旋转场。即，沿其传播方向看去波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，沿其传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波。

2.一个圆极化波可以分解为两个在空间和在时间上均正交的等幅的极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，振幅相差90。

3.任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可分解为两个旋向相反，振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到，反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可由任意极化的天线收到。这正是电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化波工作的原因。

4.天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不能接收右旋圆极化波，反之，若天线辐射有旋圆极化波，则接收右旋圆极化波，这称为圆极化天线的旋向正交性，其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用这个性质。例如，国际通信卫星V号上的4GHz多波束发射天线辐射有旋圆极化波，形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波，形成两个辐射不同地区的“波束区域”，这四个波束都工作于4GHz频段互不干扰，从而实现四重频谱复用，增加了通信容量。

5.圆极化波入射到对称目标（如平面，球面等）时，反射波变为反旋向的，即左旋波变右旋，右旋波变左旋。 微带天线的优点之一是便于实现圆极化工作，实现圆极化工作可采用单片法或多片法，单片法又分单点馈电法和多点馈电法。

3.天线的设计与仿真

3.1 天线的设计指标

中心频率：915MHz

工作频段：902MHz～928MHz

输入阻抗：50Ω

增益：≧8dB

前 后 比：≧13dB

3.2 天线参数的计算

设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为 ，对于工作频率f的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W，即为：

（3-1）

式中，c是光速。

辐射贴片的长度一般取为 ；这里 是介质内的导波波长，即为：

（3-2）

辐射单元长度L应为：

（3-3）

式中 是有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为：

（3-4）

（3-5）

用HFSS设计中心频率为915MHz的矩形微带天线，若微带天线的介质基片厚度为2.5mm，所以厚度h=2.5mm，介质的介电常数 =6.5。

由式（3-1）、式（3-3）、式（3-4）和式（3-5）可以计算求得天线辐射贴片的宽度和长度，以及有效介电常数和等效缝隙宽度，分别如下：

辐射贴片的宽度：W=114.7mm

辐射贴片的长度：L=126.9mm

有效介电常数： =6.72

等效缝隙宽度： =1.1mm

另有经验数值得出：

h1=h2=h=18mm；

g1=g2=g=3.5mm；

探针的宽度 =0.2mm；

底板与贴片距离H=32.5mm；

圆极化切角尺寸：d1=41mm（宽度方向）；d2=46mm（长度方向）。

所要设计的天线的工作频段是902-928MHz，可以计算出中心频率为 f0=915MHz，进而得到 328mm。以某公司的该产品的外形尺寸为参考，确定了底板的尺寸250mm×250mm，天线的总高度限制在50mm以下。在此基础上，设计L和M探针馈电的RFID圆极化天线，包括L型探针一点馈电的RFID圆极化天线、M型探针一点馈电的RFID圆极化天线和双L型探针正交馈电的RFID圆极化天线。预期指标如下：增益为8dBi，波束宽度为 （ 为符合条件），前后比大于13dB，驻波比小于1.4。

3.3微带贴片天线的结构设计

天线结构：M型探针馈电的宽频带长矩形贴片的几何结构如图3.1和图3.2所示。以天线的中心频率为 =915MHz（ =328mm），对天线的参数进行了仔细的研究之后确定了天线的尺寸，贴片是一个的长度为L=126.9mm（0.37 ），宽W=114.7mm （0.43 ），厚度为1mm的铝板，被放置在距底板 =32.5mm（0.1 ）高的地方，底板与贴片之间的介质为空气，其介电常数认为是 。M型探针是用厚度为 ，宽为

的铜带折叠而成的，它包含两个水平部分和三个垂直部分，垂直部分的值由g1和g2决定，水平部分的值由h1和 h2决定；经实验得到=g=3.5mm

（0.01 ）， =h=18mm（0.06 ），M型探针一端连接50欧姆激励源，另一端连接到贴片上，连接的位置由s1和s2决定。天线的底板是厚度为2mm的铝板，长宽由GL和GW决定

3.4 运用HFSS软件作图与仿真

Ansoft HFSS是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计了各种高频结构。

（1） 创建介质基板

创建一个长方体模型用以表示介质基板，模型的底面位于xoy面上，厚2.5毫米，长250毫米，宽250毫米。用Draw-box命令创建长方体，新建的长方体添加到操作历史树Solids节点下，默认名为Box1，将其命名为Substrate，设置其材料为FR4_epoxy，设置透明度为0.4。

（2）创建辐射贴片

在介质基板上方高32.5mm处，创建长为L1，宽为W1，厚0.2mm的长方体，将其命名为Patch，设置颜色为铜黄色，透明度为0.2，材料为pec。

（3）创建地面

在介质基板的底面创建一个矩形面，大小与介质底板底面相同，将其命名为GND。

（4）创建M型探针

创建圆柱体做M型探针，探针由五个圆柱体拼接而成，从主菜单中选择Draw-Cylider命令，进入创建圆柱体的状态，在三维模型下创建一个任意大小的圆柱体，双击操作历史树Solid节点下的Cylinder选项，打开新建的圆柱体属性对话框选项卡，把圆柱的材料设为PEC，圆柱体的半径设为为0.1mm。

（5）创建馈电端口

要在介质底板上开一个半径为0.2mm的圆柱形端口作为馈电端口，首先要在底板上做一个圆柱体镶嵌在底板内部高2.5mm，半径为0.2mm，底面圆心坐标为（L0，W0，0），然后依次选中介质底板与刚创建的圆柱体，执行相减操作，从主菜单栏中选择Modeler-Boolean-Substrate命令，打开如图所示的sudstrate对话框，单击OK，完成相减操作，即可从介质底板上挖掉一个圆柱体作为馈电端口。

在地面画一个圆面，选中该圆面即可添加激励源。选中该圆面然后单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Assign Excitation-Lumped Port命令，打開集总端口设置对话框，在该对话框中设置输入阻抗50欧，并在圆面上做出积分线。

HFSS仿真图如下所示：

3.5 天线性能结果分析

仿真完成后，在优化处理后能得到各项参数的分析结果，来看一下天线的性能参数。通过调整天线贴片的尺寸，可知当Lc=95mm时，天线的谐振频率在915MHz左右，

4.总结与展望

本文在对微带天线的概念性能、结构模型、馈电技术、圆极化技术等各个方面进行深入探讨的基础上，设计了结构简单的M型探针馈电900M圆极化微带贴片天线。针对微带天线频带窄的特点，采用了M型探针馈电技术实现天线的谐振；采用不同馈电点技术在微带天线单元中调整了天线的输入阻抗及驻波比；采用辐射贴片的准方形技术实现了天线的圆极化并优化了轴比。本文设计的线阵结构简单，成本低，易调试。希望今后在革新的基础上设计出性能更好，结构更简单更新颖的微带天线来。

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