一种小型圆极化天线设计

万 聪，徐声海

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101；2.海装上海局驻扬州地区军事代表室，江苏 扬州 225001)

0 引 言

圆极化天线的小型化是研究圆极化天线的重点和难点之一，微带贴片圆极化天线实现小型化的主要方式一般有：加载高介电常数的介质基板[1]、加载缝隙[2]、加载枝节、加载地面开槽、加载短路结构[3-4]等。

本文提出了一种小型化单馈圆极化微带贴片天线，通过将加载技术与堆叠结构结合实现天线最低工作频率的有效减小，使天线在总体尺寸不变的情况下谐振频率降低了38%。本章详细阐述了此天线的设计流程，分析对比此天线设计过程中结构的改变对其性能造成的影响。最终设计的天线具有很好的圆极化特性和辐射性能，证明了此小型圆极化天线结构的可行性和优越性。

1 天线结构

本文设计的天线结构如图1所示，采用单点同轴线馈电、堆叠式结构，介质基板共有上下2层，厚度分别为0.8 mm和2.4 mm，选用相对介电常数为3的F4B作为板材，尺寸为35 mm×35 mm。2层介质板之间无空气层，一定程度上减小了天线的总体厚度和加工难度，并且增加了天线的物理结构强度。天线共有上、下2个矩形辐射贴片，分别为Patch1和Patch2，它们的结构如图2所示。2个辐射贴片的四角都开有长度不同的矩形缝隙环。天线上层辐射贴片与同轴线的导体内芯直接相连，第2层辐射贴片通过半径为r0的圆形开槽实现口径耦合馈电，选用这种耦合馈电的方式可以避免同轴馈线与下层辐射贴片直接连接，可以减小馈电位置对天线性能的影响。另外，这种结构可以起到加载感抗的作用，降低使用同轴线背馈引入的高电感对天线带来的影响[5]。

图2 矩形辐射贴片结构示意图

通过在2个矩形辐射贴片的4个角加载被矩形缝隙环围绕的接地短路针结构，可以在一定程度上降低天线的最低谐振频率，矩形缝隙环的宽度为s，接地短路针的半径为rhole。加载封闭的矩形缝隙环结构和接地短路针相当于引入等效电容和等效电感，最终使天线辐射贴片的表面电流集中于矩形缝隙环附近，从而起到延长天线表面电流路径的作用。

为了进一步实现天线谐振频率的降低，用短路针将天线上层辐射贴片、下层辐射贴片与天线地板三者相连。

天线部分参数如表1所示。

表1 天线参数表

2 天线性能

图3给出了天线的|S11|和最大辐射方向上的轴比图，可以看出，该天线的相对阻抗带宽为88.0 MHz(2.694 GHz～2.782 GHz)，3 dB轴比带宽为20 MHz(2.714 GHz～2.734 GHz)。

图3 天线的|S11|和轴比随频率变化的曲线图

图4给出了天线在2.72 GHz时xoz面和yoz面轴比随θ值的变化图，可以看出天线的3 dB轴比波束宽度可以达到140°，这说明本天线具有较好的圆极化性能。

图4 天线在2.72 GHz轴比随θ角变化图

天线在2.72 GHz的xoz面与yoz面方向图如图5所示。可以看出，天线的最大辐射方向为z轴正方向。最大辐射方向上的左旋圆极化增益比右旋圆极化增益分别大18.6 dB(xoz面)和19.3 dB(yoz面)，圆极化辐射特性良好。

图5 天线在2.72 GHz处的平面方向图

图6给出了天线的增益曲线和效率曲线，可以看出，本天线工作频带内的增益在4.87 dB以上，天线辐射效率高于92%。

图6 天线的增益和辐射效率随频率的变化曲线图

3 结束语

本文设计了一种小型圆极化微带天线，本天线通过单点馈电，首先将上下2个矩形辐射贴片通过短路针与天线地板相连，之后加入围绕短路针的矩形缝隙环结构实现小型化，在不改变原天线厚度和辐射贴片轮廓的情况下，可以达到63%的尺寸缩减；然后通过改变特定矩形缝隙环的长度引入扰动，实现天线圆极化工作。本文还研究了几个主要尺寸参数对天线|S11|和轴比的影响。最终设计的天线在不采用高介电常数介质板的条件下总体尺寸仅为0.32λ0×0.32λ0×0.03λ0(λ0为2.7 GHz的自由空间波长)，天线带内最大增益为5.03 dB，辐射性能良好。另外，本天线的设计为之后小型化频率和极化可重构天线中极化的可重构设计提供了参考。