一种共面波导差分馈电的宽带圆极化天线

刘 芬，江 鹏，姬五胜，刘 坤

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津菲利科物联网技术有限公司，天津 300192）

圆极化天线[1-2]可有效减小极化损耗，提高系统容量，故在无线电领域具有非常重要的作用。当前实现圆极化天线的主要方式有：环形电流法[3-5]、正交对称振子法[6-7]、差分馈电法[8-10]等。差分天线采用差分馈电方式，可直接与射频前端相连，从而避免使用巴伦等转换器件，有利于提高系统的集成度。因此，研究和设计差分馈电式宽带圆极化天线具有十分重要的意义。文献[11]提出了一种采用180°旋转对称的风车型结构的差分馈电圆极化毫米波天线，采用行波激励和差分馈电方式，但轴比带宽为17.4%，相对较窄。文献[12]提出了一种由地板、半环和蝶形振子组成的宽带差分馈电圆极化天线，获得了34.7%的轴比带宽，但是该天线的结构复杂，不易制作。文献[13]提出了一种基于AMC结构的改进型的差分馈电宽带圆极化天线，3 dB 轴比带宽为43.9%，性能优异，结构简单，但在高频辐射方向具有较大的交叉极化，因此该天线还有相当大的改良空间。针对上述研究中存在的弊端，本文提出了一种共面波导差分馈电的宽带圆极化天线，包括方槽、两条正交的对称T 形馈线、一对交叉Z 型条以及加载了一个斜45°矩形条，使得轴比（AR）带宽增强，改善了天线的圆极化特性。

1 天线圆极化机理分析

在分析差分天线电路参数时，可将其等效为一个二端口网络，二端口网络的入射波和反射波如图1 所示。

图1 二端口网络的入射波和反射波

根据二端口网络[14-15]和圆极化波[16-17]相关知识，可以得到差分天线的差模反射系数Sdd和轴比AR 的计算公式分别为

式中：S11、S12、S21、S22均为二端口网络的S 参数。

式中：A 为椭圆极化的长轴；B 为椭圆极化的短轴。

差分天线结构如图2 所示。图2（a）天线的主要辐射体由一对对称的T 型条组成，图2（b）天线在图2（a）天线结构基础上增加了一对交叉Z 型条，图2（c）为本文提出的天线结构模型。

图2 差分天线结构

对上述3 种结构差分天线的差分反射系数进行HFSS 仿真分析，3 种类型天线的差分反射系数如图3所示。由图3 可知，当天线在模型1 情形下，其工作频率上移，阻抗匹配变差；模型2 天线的中心频率满足要求，但是带宽以及阻抗匹配不是很理想；模型3 天线的带宽更宽，阻抗匹配得到改善。

图3 3 种类型天线的差分反射系数

图4 为3 种类型天线的轴比曲线。由图4 可知，无论是模型1 还是模型2，天线的轴比均大于3 dB，不能够实现圆极化的要求，因此在模型3 中加入斜45°矩形条，可改善轴比，使天线实现圆极化。

图4 3 种类型天线的轴比曲线

2 天线参数分析与设计

天线的三维结构仿真图和几何结构正视图如图5所示。天线印刷在FR4 基板上相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.002，基板厚度为1.6 mm。天线由50 Ω 的共面波导馈源进行馈电，其中这个信号线的宽度为W1，长度为L1，2 个相同间隙的宽度均为0.8 mm。与其相连的T 型条的上部分矩形条长为L2，宽为W2。与倒L 型地面相连的矩形槽长为L3，宽度为W3，上方与其相连的矩形槽长为L4，缝隙加载的斜45°矩形条长度为L5。插槽的边长处约是在中频缝隙波导轴比带宽波长的1/2。在运用HFSS 仿真软件进行天线设计时，把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件。

图5 天线的三维结构仿真图和几何结构正视图

在天线设计过程中，每一个结构的尺寸都会对天线的性能参数产生不同程度的影响。对于T 型矩形条来说，先固定水平矩形条，其长度L2=15 mm，垂直矩形条长度L1与天线差分反射系数以及轴比曲线如图6 所示。从图6 可以看出，当L1=10 mm 时，天线不工作，轴比相应也很差；当L1=15 mm 时，天线的差分反射系数满足要求，并且轴比也在相应范围内呈现较好的特性；进一步增大L1，当L1=20 mm 时，天线的差分反射系数急速变差，相应的轴比也随之减小。因此，当L1=15 mm 时，天线性能较好。

图6 T 型矩形条的垂直矩形条长度L1 对天线性能的影响

T 型矩形条的水平矩形条长度L2对天线差分反射系数以及轴比曲线如图7 所示。从图7 可以看出，当L2=10 mm 时，天线不工作，轴比相应也很差；将其增大，当L2=15 mm 时，天线的差分反射系数满足要求，并且轴比也在相应范围内呈现较好的特性；当L2=20 mm 时，天线的差分反射系数急速变差，相应的轴比也随之减小，因此选择L2在15 mm 附近为天线性能较好的情况，但是相对L1而言，L2的变化对于天线的轴比影响更小。根据系统设计要求，设计的天线L2为13.4 mm。

图7 T 型矩形条的垂直矩形条长度L2 对天线性能的影响

确定好T 型条尺寸后，进行Z 型矩形条尺寸设计。对Z 型矩形条较长的一段长度L3进行分析，天线Z 型矩形条中较长的一段长度L3对天线性能的影响如图8 所示。从图8 可以看出，天线在L3变化时性能变化非常大：在L3不断减小时，天线的差分反射系数逐渐接近于一条直线，且该直线约为-3 dB，说明已经完全偏离了设计路线；当L3不断增大时，天线的轴比有所好转，但是差分反射系数依旧较差，为了达到设计要求，将L3的数值固定在20 mm 附近，才能够使天线既可以工作在工作频段，也可实现圆极化的特性。

图8 L3 对天线性能的影响

天线Z 型矩形条较短的一段长度L4对天线差分反射系数的影响以及轴比曲线如图9 所示。从图9 可以看出，相对于上述提及的其他长度，L4的变化对天线性能影响较小，无论是增大还是减小，其差分均能够保持在兴趣频段范围内小于或者接近-10 dB 的要求，但是该长度对轴比的变化影响却很大，随着L4的不断变化，天线的轴比变化很大，且均不能满足设计要求，因此该长度的选择需要配合其他尺寸进行调整。

图9 L4 对天线性能的影响

依次确定好T 型条尺寸、Z 型矩形条尺寸后，最后对加载的斜45°矩形条长度L5进行设计。为了能够得到理想的设计要求，在设计天线时，还需要综合考虑天线的各个尺寸参数配合选择，以实现天线性能的最优化。经优化后天线的结构尺寸参数如表1 所示。

表1 最终优化的结构尺寸参数

3 仿真结果

差分馈电天线的差分反射系数仿真结果如图10所示。本文所设计天线的轴比曲线和天线峰值增益随频率变化曲线分别如图11 和图12 所示。天线的二维方向图如图13 所示。

图10 天线的差分反射系数

图11 天线的轴比曲线随频率变化曲线

图12 天线峰值增益随频率变化曲线

图13 天线的二维方向图

从图10 可知，天线的整个阻抗带宽范围覆盖从1.74～2.75 GHz，中心工作频率处于2.45 GHz。天线最低的反射系数达到了-38.7 dB，这就表明天线的反射率很低，向外传输特性良好，阻抗匹配也较好。由图11可知，天线轴比在1.67～2.68 GHz 范围内均小于3 dB，该范围与阻抗带宽范围非常接近，说明了所设计天线的性能非常好，具有良好的圆极化特性。由图12 可以看出，在频率为2.55 GHz 处天线的最大增益为3.41 dBi；同时在1.9～2.7 GHz 范围内增益全部大于2 dBi。

从图13 可以看出，天线的主极化方式为左旋圆极化，而交叉极化为右旋圆极化，且天线方向图曲线表示交叉极化相对主极化较小，对于信号的干扰效果较小，这表明所设计天线的方向图较好，具有好的全向特性。

4 结语

本文设计的宽带差分圆极化天线，具有良好的宽带圆极化性能。所设计的天线轴比相对带宽为41.2%，差分反射系数小于-10 dB 的范围为1.01 GHz，最大增益为3.41 dBi，整个阻抗带宽范围覆盖从1.74～2.75 GHz，且在整个工作频段内二维方向图稳定。仿真结果表明，本文提出的天线具有宽带、全平面、方向图稳定、便于集成等特点，符合无线通信系统设计要求。