宽带高增益环形圆极化微带天线

陈青青，李建瀛，丁宇昕，张凌凯，冯 耀，谢 静

(西北工业大学电子信息学院， 陕西西安710129)

随着现代通信技术的不断发展，圆极化微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面低和灵活度高等优点，被广泛应用在雷达、导航、卫星等通信领域。圆极化天线是通过使用馈电结构激发具有90°相位差的两个正交线性极化模式产生圆极化[1-4]。通过开缝或者切角产生微扰的单馈圆极化天线[5-7]的工作带宽通常比较窄，轴比带宽在1% ～ 2%之间。一些改进单馈圆极化微带天线轴比带宽的方法被提出，例如添加寄生贴片[8-9]和开U形槽[10],其轴比带宽可以在原结构基础上被展宽到3% ～ 4%。另外，使用功分网络[11-12]或者多层基板[13-14]可以展宽圆极化天线的轴比带宽，但相对于单点馈电圆极化天线，其结构稍显复杂。

基于环形切缝微带天线[15-16], 笔者设计了两款展宽轴比带宽的圆极化微带天线，分别是圆形环圆极化微带天线和方形环圆极化微带天线。天线的轴比带宽被有效展宽。圆形环和方形环圆极化天线分别在3.83 ～ 4.07 GHz (轴比带宽约为6.2%)和3.76 ～ 4.00 GHz (轴比带宽约为6.1%)的频段范围内，轴比(Axial Ratio，AR)小于3 dB，且电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，具有良好的圆极化特性。在工作频带内，两款圆极化微带天线的峰值增益均高于10.0 dB。

1 宽带圆形环圆极化微带天线的设计

1.1 天线结构

宽带圆形环圆极化微带天线(天线1)的结构如图1所示。天线的中心频率为3.87 GHz。天线由环形辐射贴片和地板组成，在辐射贴片与地板之间是厚度为7 mm (H1)的空气层。在辐射贴片上偏离-y轴P1位置开有一个宽1 mm (W1)的横向槽，扰动表面电流分布，激励两个相位相差90°、幅度相等的模式，辐射圆极化波。同时，辐射贴片内侧开有一个正方形方向孔(13 mm×13 mm)，以改善阻抗匹配特性。该天线由同轴线馈电，同轴线内导体对辐射贴片馈电，外导体与地板连接。馈电点位置在-y轴上，距离原点15 mm (R3)。金属地板的半径R2=55 mm。根据仿真模型，制作天线实物如图2所示。

图1 宽带圆形环圆极化微带天线(天线1)结构图

图2 实物结构图

该天线的工作频率F0由环形贴片的平均周长决定，其计算式为

F0=c/(πR1+2L1) ，

(1)

其中，c是真空中的光速，R1是辐射贴片外半径，L1是辐射贴片上方形孔的边长。图3是圆环形辐射贴片上在中心频率为3.87 GHz的表面电流分布图。可以看出，该天线表面电流沿顺时针方向旋转(沿+z轴方向观测)，辐射右旋圆极化波。

图3 宽带圆形环圆极化微带天线(天线1)表面电流分布

1.2 参数分析

通过分析，知该天线的内外环尺寸决定其工作频率F0，但空气层厚度(H1)、缝隙偏移距离(P1)、缝隙宽度(W1)及馈电点位置(R3)对天线性能的影响尚不明确，因此对天线进行参数分析。利用HFSS 19.0 对天线进行仿真研究，当对某一特定参数进行优化时，其他参数保持不变。

空气层厚度(H1)对天线性能有明显影响，如图4所示。可以看出，当空气层厚度增加时，天线工作频率向低频偏移，电压驻波比损坏，驻波小于2的驻波比带宽减小；当空气层厚度H1=7.0 mm时，轴比小于3 dB的带宽最宽，轴比特性达到最优。

图5给出一组缝隙偏移距离P1不同取值时，圆环形圆极化天线的电压驻波比(VSWR)和轴比(AR)变化曲线。可以看出，随着偏移距离的增大，天线工作频率向更高频率偏移。当偏移距离较小时，中心频率的电压驻波比特性损坏；当偏移距离较大时，轴比带宽 (轴比小于3dB) 变窄。计算结果表明，当P1=2.5 mm时，天线具有最佳的轴比带宽，且驻波比小于2。

图4 H1对天线性能的影响

图5 P1对天线性能的影响

该环形辐射贴片辐射圆极化的机理是横向槽扰动表面电流，产生两个幅度相等、相位相差90°的模式，所以选择不同大小的缝隙对圆极化性能影响很大。图6中列出了不同缝隙宽度 (W1)对天线性能的影响。可以看出，当缝隙宽度较窄时，电压驻波比带宽 (驻波小于2) 较窄；当缝隙宽度较宽时，中心频率的电压驻波比超过2。当缝隙宽度W1=1.0 mm时，轴比小于3dB的带宽取得最优结果。

最后一个被研究分析的参数是馈电点位置R3，图7给出一组不同位置馈电时天线性能的变化。从图中可以得到，馈电点主要影响天线的电压驻波比。当馈电点位置靠近原点时，中心频率电压驻波比恶化；当馈电点位置距原点较远时，电压驻波比小于2带宽较窄。由计算可得，当R3=15.0 mm时，天线电压驻波比达到最佳性能。

图6 W1对天线性能的影响

图7 R3对天线性能的影响

1.3 天线的仿真和测试结果

根据以上的分析，利用HFSS 19.0对所设计的天线进行仿真计算，天线的工作频率为3.76 ～ 4.00 GHz，天线的各个参数最终选取：R1=25.0 mm，R2=55.0 mm，R3=15.0 mm，L1=13.0 mm，W1=1.0 mm，P1=2.5 mm，H1=7.0 mm。在整个工作频带内驻波小于2，且轴比小于3 dB，具有较好的圆极化特性。

对加工的天线进行了测试，测试得到的天线电压驻波比(VSWR)，轴比(AR)和增益如图8所示。实际测试结果与仿真结果基本一致。实测的电压驻波比带宽 (驻波小于2) 约为21.3% (3.52～ 4.36 GHz)，轴比带宽 (轴比小于3 dB) 约为6.2% (3.74 ～ 3.98 GHz)，可以较好地辐射圆极化波。天线增益在工作带宽内高于9.5 dB，峰值增益大于10.0 dB。图9给出了分别在3.74 GHz、3.86 GHz和3.98 GHz等频点下测试的天线xOz面和yOz面归一化方向图。从结果可以看出，在工作带宽内，设计的天线实现稳定的右旋圆极化单向辐射，与图3相符。结果表明，此天线在较宽的频带内具有优良的驻波比特性和圆极化特性。

图8 天线1仿真和实测的驻波、轴比和增益

图9 天线1实测xOz面和yOz面方向图

2 宽带方形环圆极化微带天线的设计

2.1 天线结构

宽带方形环圆极化微带天线(天线2)的结构如图10所示。天线的中心频率为3.95 GHz。与第1部分的圆环形圆极化天线结构相似，天线由环形辐射贴片和地板组成，在辐射贴片与地板之间是厚度为7 mm (H1)的空气层。不同之处在于，环形辐射贴片外圈是边长为L′1的正方形，内圈是半径R′1的圆形。该天线由同轴馈电。根据优化得到的模型参数，加工的实物天线如图11所示。

图10 宽带方形环圆极化微带天线(天线2)结构图

图11 实物结构图

该天线的工作频率F′0由环形贴片的平均周长决定，其计算式为

F′0=c/(πL′1+2R′1) ,

(2)

其中，c是真空中的光速，L′1是方形辐射贴片的边长，R′1是辐射贴片上圆形孔的半径。图12是辐射贴片上在中心频率3.95 GHz的表面电流分布图。可以看出，该天线表面电流沿顺时针方向旋转(沿+z轴方向观测)，辐射右旋圆极化波。分析可得，该天线的内外环尺寸决定其工作频率F′0，且空气层厚度(H′1)、缝隙偏移距离(P′1)、缝隙宽度(W′1)及馈电点位置(R′3)对天线性能的影响与圆环形圆极化微带天线一致。

图12 宽带圆形环圆极化微带天线(天线2)表面电流分布

2.2 天线仿真和测试结果

天线的工作频率为3.83 ～ 4.07 GHz，天线的各个参数最终选取：R′1=7.0 mm，R′2=55.0 mm，R′3=14.0 mm，L′1=34.0 mm，W′1=1.0 mm，P′1=4.5 mm，H′1=7.0 mm。仿真得到，在工作带宽内，驻波小于2，轴比小于3 dB，具有较好的圆极化特性。

图13 天线2仿真和实测的驻波、轴比和增益

图14 天线2实测xOz面和yOz面方向图

仿真和测试得到的电压驻波比(VSWR)、轴比(AR)和增益如图13所示。可以看出测试与仿真结果相吻合。该天线的电压驻波比带宽 (驻波小于2) 为20.1%(3.50 ～ 4.30 GHz)，轴比带宽 (轴比小于3 dB) 为6.1% (3.80 ～ 4.04 GHz)，圆极化性能较好。在3.94 GHz，天线增益最大，峰值增益约为10.1 dB。天线的辐射方向图如图14所示，图(a)，(b)，(c)分别是测试的天线在3.80 GHz，3.92 GHz，4.04 GHz的xOz面和yOz面方向图，由图可以看出，该天线稳定的单向辐射右旋圆极化波。

3 结束语

文中基于环形切缝微带天线[15-16]设计了两款展宽轴比带宽的圆极化微带天线，分别是圆形环圆极化微带天线(天线1)和方形环圆极化微带天线(天线2)。天线的轴比带宽被有效展宽。圆形环和方形环圆极化天线分别在3.74 ～ 3.98 GHz (轴比带宽约为6.2%)和3.80 ～ 4.04 GHz (轴比带宽约为6.1%)的频段范围内，轴比小于 3 dB，获得了良好的圆极化特性。在工作频带内，两款圆极化微带天线的峰值增益高于10.0 dB，并实现稳定的单向辐射。该天线是无线通信系统的良好候选。笔者也对圆形贴片内刻圆缝结构和方形贴片内刻方形缝结构的两种天线结构进行了分析，得到几乎同样的结果。