具有谐波抑制的共形圆极化环形缝隙天线

张 磊， 马润波， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0 引 言

圆极化(CP)天线由于其能够消除多径效应引起的干扰， 以及能够降低发射机与接收机极化失配带来的传输损耗， 被广泛应用到无线电领域[1]. 印刷圆极化天线具有重量轻、 剖面低和易于制造等优点， 因此一直备受关注. 常采用的结构有印刷贴片和印刷缝隙两种， 文献[2-5]中设计了几种单馈印刷微带贴片天线， 但是这种结构实现的圆极化天线只有比较窄的阻抗带宽和轴比带宽， 文献中天线的轴比带宽都小于1%. 相比较微带贴片天线， 微带缝隙天线具有宽的阻抗带宽和轴比带宽. 在众多形状的缝隙天线中， 环形缝隙天线被广泛研究. 文献[6-8]中设计了多种可实现圆极化辐射的环形缝隙天线. 文献[6]在环形缝隙引入U形的干扰分支， 实现了圆极化辐射， 但是天线的整体尺寸较大， 且轴比带宽仍只有3.72%； 文献[7]采用了一端接有负载电阻的V字形微带线馈电， 分析了馈线宽度和缝隙宽度对天线圆极化性能的影响， 但是天线的馈电结构复杂， 不易匹配； 文献[8]中天线的结构简单， 在环形缝隙中仅引入电抗性元件实现了良好的圆极化性能， 加载电感或者电容的情况下分别具有5.5%和6.7%的轴比带宽. 但由于加载集中元件， 会有相对较大的损耗且不易加工. 另外， 在实际应用中， 很多无线收发系统期望天线能够和载体共形， 达到节省空间和减少空气阻力的作用； 文献[9]分析了天线在不同程度的共形弯曲度下天线的性能， 表明天线在多种共形情况下依然具有很好的圆极化性能； 文献[10]指出， 将印刷微带环形缝隙天线应用在射频能量系统中， 缝隙天线和整流电路集成在同一区域， 可以实现天线的简洁和高效. 所以， 设计出一款结构简单， 带宽较宽， 可共形的圆极化微带缝隙天线， 可以满足各种无线收发系统的使用.

本文提出了一种可共形的单层圆极化环形缝隙天线. 天线由单层衬底两面的馈线和具有辐射缝隙的接地板构成， 在接地板缝隙边缘蚀刻对称的顺时针旋向的弯曲分支来实现圆极化， 并且通过蚀刻出两个椭圆形缝隙和倒U型缝隙改善了天线的轴比带宽并抑制了高次谐波， 进一步分析了共形半径对天线性能的影响. 设计天线结构简单， 阻抗带宽和轴比带宽较宽， 剖面低， 易于共形.

1 天线结构和工作原理

本文设计的天线结构如图 1(a) 所示， 顶层是方形接地板， 接地板上蚀刻有圆形缝隙， 在圆形缝隙周围蚀刻有一组顺时针旋向的弯曲分支缝隙、 两个半椭圆型缝隙槽和倒U型缝隙； 底层是带有圆形贴片的微带馈线. 天线设计在厚度为h=0.254 mm， 相对介电常数为3.48的介质基板上， 整体尺寸为55×55×0.254 mm3. 天线采用长度为lf的50 Ω微带线连接半径为r的圆形贴片为接地板上的缝隙馈电； 同时， 在接地板上蚀刻出内外半径分别为R1和R2的环形缝隙， 产生基本的线极化谐振. 天线的工作频率和环形缝隙之间有如下关系

式中：f是环形缝隙天线的谐振频率；c是真空中的光速；εr是介质板的相对介电常数.

图 1 天线平面结构和共形后结构图Fig.1 Plane structure and conformal structure of antenna

另外， 在环形缝隙边缘与馈点夹角45°和225°的位置延伸出两个对称的顺时针旋向的弯曲缝隙分支， 分支的宽度为d， 距离缝隙长度为lm， 弯曲分支旋转的角度为α， 使得馈电处产生的基本谐振模式分裂成两个幅度相等、 相位差90°的正交谐振模式， 从而形成圆极化辐射. 在圆缝隙周围蚀刻垂直于馈点的两个半椭圆缝隙槽， 缝隙槽的半长轴为w1， 半短轴为w2， 用来改善天线的轴比带宽. 在馈点对应位置的接地板上环形缝隙边缘蚀刻了倒U形狭缝， 倒U形等效于在接地板上引入了一个缺陷地结构， 起到低通滤波器的作用[11]， 用来抑制3～10 GHz的高次谐波， 狭缝长度为ls， 宽度为d， 两臂间隔为ws. 最后将设计的缝隙天线共形在半径为R3的圆柱载体上， 如图 1(b) 所示. 天线各部分参数在表 1 中列出.

表 1 天线各部分的尺寸Tab.1 The values of antenna

为了说明缝隙天线实现圆极化的原理，
图 2 给出了接地板上缝隙在t=0，t=T/4，t=2T/4和t=3T/4时刻的电场矢量分布,E表示主电场的矢量和. 从图 2 中可以看出： 随时间变化， 圆环缝隙周围的电场方向发生改变， 而且每隔T/4周期， 电场的方向旋转90°， 而且在整个周期内， 从+z方向观察， 随着时间的变化， 电场矢量沿逆时针方向旋转， 说明设计的天线在天线上方可以实现右旋圆极化.

图 2 2.45 GHz环形缝隙中的电场分布图Fig.2 Electric field distributions of the ring slot at 2.45 GHz

2 参数分析

天线结构中， 介质基板背部馈线末端的圆形贴片半径， 接地板上蚀刻的弯曲分支线的长度， 椭圆槽的半径和倒U型缝隙的长度对天线的反射系数和轴比有很大的影响， 在分析某一参数对性能的影响时， 保持其他参数不变.

图 3 给出了馈线末端圆形贴片半径(r)对天线反射系数的影响曲线. 从图 3 中可以看出： 随着圆形贴片半径的增大， 天线的谐振频率降低， 阻抗带宽变宽. 在半径r=2 mm时， 天线工作在2.45 GHz， 阻抗带宽达到16.5%. 仿真表明半径的变化对轴比带宽基本没有影响.

图 4 分析了弯曲分支距离环形缝隙的距离(lm)对天线反射系数以及轴比的影响. 可以看出， 随着lm的增加， 天线的谐振频率降低， 阻抗带宽变宽， 轴比中心频点也逐渐降低， 这是由于弯曲分支长度的增加会加长电流路径， 但天线的圆极化性能会逐渐变差. 折衷选取lm=8 mm时， 天线谐振在2.45 GHz， 且天线的阻抗带宽和轴比带宽均较宽.

图 3 r对反射系数的影响Fig.3 The S11 for different r

图 4 lm对反射系数和轴比的影响Fig.4 The S11 and AR for different lm

图 5 给出了半椭圆槽尺寸对天线轴比的影响， 从图 5 中可以看出： 在未加入半椭圆型槽之前， 轴比带宽只有3.9%， 加了半椭圆槽之后， 轴比带宽显著变宽， 达到7.4 %， 且轴比更小； 随着半椭圆形槽的半短轴w1的增大， 轴比逐渐减小， 轴比带宽变宽； 随着半长轴w2的增大， 轴比的中心频率向低频偏移， 且轴比逐渐减小. 最终选择w1=3.5 mm，w2=7 mm. 此时， 天线在 2.45 GHz 时轴比最小.

图 5 w1和w2对轴比的影响Fig.5 The AR for different w1 and w2

图 6 分析了倒U形槽的长度(ls)对反射系数的影响： 没有倒U形槽结构时， 即ls=0 mm， 天线在4.9 GHz, 7.4 GHz, 9.8 GHz附近均产生谐振， 即产生2， 3， 4次谐波. 且在3次及4次谐波处S11低于-10 dB. 引入倒U形结构且随着U形长度ls的增大， 高次谐波得到抑制. 但是当ls增大到一定长度时， 3～4 GHz 的S11会逐渐下降. 最终选择ls=6.4 mm， 使3～10 GHz 内的高次谐波都有很好的抑制.

图 7 给出了设计的天线在平面情况下以及不同共形载体半径下的反射系数和轴比. 从图 7 中可以看出： 在没有改变天线尺寸的情况下， 平面结构时天线谐振在2.6 GHz. 将天线共形之后， 谐振频率下降， 共形载体半径在40～60 mm范围内， 天线在WiFi频段内均有稳定的谐振频率、 阻抗带宽和轴比带宽， 都拥有良好的圆极化性能.

图 6 ls对反射系数的影响Fig.6 The S11 for different ls

图 7 共形载体半径R3对反射系数和轴比的影响Fig.7 The S11 and AR for plane structure and different conformal cylinder radius R3

3 仿真结果

图 8～图 10 给出了按照表 1 设计天线的仿真结果. 从图 8 可以看出天线的-10 dB阻抗带宽为16.5%(2.22～2.62 GHz)， 天线的2， 3， 4次谐波均可抑制到-2.5 dB以上.
图 9 给出了天线仿真的增益和轴比曲线， 天线在2.4～2.5 GHz内增益均可以达到4 dBi以上， 3 dB轴比带宽为7.4%(2.35～2.53 GHz)， 并且在中心频率(2.45 GHz)处达到最小的轴比(0.6 dB).
图 10 给出了天线在2.45 GHz时的RHCP/LHCP 辐射方向图.

图 8 天线的S11 曲线Fig.8 S11 of the antenna

图 10 天线在2.45 GHz 的辐射方向图Fig.10 Radiation patterns of the antenna at 2.45 GHz

可以看出， 天线的定向辐射性较强. 天线在Z轴正上方具有良好的右旋圆极化性能， 对应的在Z轴正下方， 即天线的背部具有良好的左旋圆极化性能. 此外， 天线在x-z面的半功率波束宽度为147°， 在y-z面的半功率波束宽度为143°.

4 结 论

本文提出了一种工作在WiFi频段的具有谐波抑制功能的共形圆极化缝隙天线. 天线通过在接地板上蚀刻圆形缝隙和对称的顺时针旋向的弯曲分支实现圆极化， 并在接地板缝隙周围蚀刻两个半椭圆形缝隙和倒U型缝隙来提高轴比带宽和抑制高次谐波. 仿真结果表明， 设计的天线阻抗带宽为16.5%(2.22～2.62 GHz)， 轴比带宽为7.4%(2.35～2.53 GHz)， 带内天线增益达到 4 dBi. 该天线在共形载体半径40～60 mm下均有良好的圆极化性能， 可用于多种共形无线收发系统中.