一种典型超宽带圆极化天线的设计及仿真*

王志霞

(山西工程科技职业大学，山西 太原 030000)

0 引言

随着社会的发展，无线通信技术日新月异，人们对无线通信的要求也越来越高。当前市场对数据业务的需求日益剧增，也就意味着对短距离无线通信的传输速率提出了更高的要求，要想提高传输速率，必须提高传输带宽。天线作为无线通信中重要的射频终端，在通信中起着举足轻重的作用，也受到越来越多的关注。天线技术随着通信技术的发展不断地向着更高的层次演进：由全向性向特定方向、由单一极化向双极化、由单波束向多波束、由单频点向超宽带等方向发展。针对数据通信业务高速率的需求，本文设计了一款超宽带圆极化微带天线。该天线主要涉及超宽带、圆极化、微带线三大部分，这三方面在无线通信天线技术中起着举足轻重的作用。

◆ 超宽带:随着无线通信技术应用越来越广泛，频谱资源随之开始匮乏。与此同时，超宽带技术应运而生。超宽带英文全称Ultra Wide Band,简称UWB，是一种新型的无线通信技术。与单频带技术相比，超宽带抗干扰性能好、传输速率高、带宽极宽、系统容量大、发射功率低、保密性好、多径分辨率高，适用于短距离大容量传输[1]。

◆ 圆极化:天线辐射电磁波形式分为线极化、圆极化和椭圆极化。其中圆极化是指电磁波极化面与大地法线面之间的夹角0°～360°循环变化时，电场强度大小不变，方向变化，电场矢量的末端轨迹在垂直于电磁波传播方向的平面上的投影为圆形[2]。圆极化分为左旋极化和右旋极化。线极化是指电场矢量末端随时间变化的运动轨迹为直线。当收发天线采用线极化天线时，收发天线必须保持极化角度相同，才能保证更好的通信链路。因此在移动通信中不适宜使用线极化通信。当发射天线采用圆极化时，接收天线无需考虑极化角度，只需要对准发射天线即可。因此圆极化天线在移动应用中应用较广泛，卫星通讯中也多采用圆极化天线。圆极化天线与线极化天线相比，可以有效降低极化失配，有效抑制多径干扰，提高通信稳定性。

◆ 微带天线:随着现代社会航空科技和潜水技术的不断发展，这些特殊领域对通信技术的通信终端——天线，提出了更高的要求。基于此需求，微带天线应运而生。微带天线具有体积小、平面薄、重量轻、结构简单稳定、造价低、加工方便、易集成等优点。微带天线突出优点是结构简单，主要有接地金属面、介质基板、辐射贴片面和馈电四部分组成。这四部分中任何一个参数对天线性能都起着至关重要的作用。其中馈电点位置不同，天线呈现的输入阻抗不同。天线的输入阻抗必须与和天线相连接的同轴电缆的特性阻抗相等。同轴电缆的特性阻抗一般有50和75两种。因此可通过改变天线馈电点的位置，使天线呈现50的输入阻抗，即可完成天线阻抗匹配。

1 超宽带圆极化天线结构设计

本文设计了一款超宽带圆极化微带天线，结构如图1所示。微带天线结构由四部分组成：辐射贴片部分、介质基板、馈电网络和接地金属板部分[3]。该天线介质基板长宽高分别为45 mm、45 mm、5 mm，填充介质采用Rogers RO4003(tm)。辐射部分为正方形贴片切除对角三角形，其厚度忽略不计，正方形边长为21.2 mm,三角形切角边长为5.26 mm。馈电网络采用同轴探针馈电方式馈电，探针采用理想电导体，半径为0.5 mm,高度为5 mm。波端口采用集总参数端口激励，半径为1.5 mm。通过HFSS电磁软件仿真获得，该天线S参数如图2所示。由图可知该天线-10 dB宽度频率范围为3 GHz～4.1 GHz，带宽高达1.1 GHz。

图1 超宽带圆极化天线结构图

图2 超宽带圆极化天线S参数

2 三角形切角长度对天线的影响

首先，正方形贴片对角切割后，通过仿真软件对贴片参数进行优化，使得天线辐射电场在水平和垂直方向振幅相等，相位相差90°，进而形成圆极化，其增益方向图如图3所示。

图3 天线增益图

其次，正方形贴片的切角除了能产生90°相位差外，对天线的其他性能也有较大影响。通过对切角长度参数扫描可知三角形切角长度对天线的S参数性能影响如图4所示。由图可知，切角长度分别设置为7 mm、8 mm、9 mm，随着切角长度变长，天线工作频率逐渐变小，与此同时产生了一个新的工作频点，实现了双频带。

图4 不同切角长度对天线性能的影响

最后，通过优化贴片的宽度，令正方形辐射贴片边长为21.2 mm，使得产生的两个工作频点合并在一起，进而形成了本文设计的高达1 GHz(如图2所示)的超宽带。

3 介质基板厚度对天线性能的影响

根据理论分析天线的工作频率不受介质基板厚度的影响，其工作频率主要受辐射贴片的形状、尺寸、介质基板材料、以及馈电点位置影响。通过HFSS电磁仿真软件进行仿真分析，获得如图5所示的S参数，分别将介质基板厚度设置为4 mm、6 mm、7 mm，由图可知，随着介质基板厚度的增加，天线的工作频率并没有大的变化，只是在介质基板厚度为4 mm时出现了另一个工作频点。这是因为本文设计的超宽带天线的原理由第三节三角形切角长度对天线的影响中可知，首先让天线产生两个工作频点，然后通过调节辐射贴片的长度让两个工作频点合并在一起，最后形成了超宽带天线。显然这里介质基板厚度为4 mm时，重新又将原来合并在一起的两个工作频点拆开了，但是其中一个主要的工作频点还是和原来的频率保持一致，没有改变。

图5 介质基板厚度对天线性能的影响

4 小结

为响应当前无线通信市场高速率、小型化的需求，并有效抑制多径干扰，提高通信稳定性，本文设计了一款超宽带圆极化微带天线。通过HFSS仿真优化参数，改变辐射贴片的宽度，调整切角长度，最终将由切角长度引起的双频带合并在一起，实现了-10 dB宽度高达1 GHz的超宽带，有效提高了数据传输速率。通过将正方形贴片的对角切割，使天线辐射电场的相位差为90°，进而形成圆极化。另外该天线还采用微带线的结构，实现了天线体积小、重量轻、成本低、结构简单、易集成等优点。文中还分别分析了三角形切角长度和介质基板厚度对天线性能参数的影响。