一种枝节延伸的宽轴比波束圆极化天线

陈天歌，赵 华，龚 克

(信阳师范学院 物理电子工程学院， 河南 信阳 464000)

0 引言

圆极化(circular polarization，CP)天线可以接收任意方向的极化波，以减少极化失配损耗和多径干扰[1-2]，广泛应用于各种无线系统，如移动卫星通信、全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)和新一代5G无线通信等[3]。阻抗带宽、轴比波束宽度(axial ratio beamwidth, ARBW)和轴比带宽(axial ratio bandwidth, AR)作为衡量CP天线性能的重要参数，被广泛研究。然而，对于一些特定应用场景，ARBW比阻抗带宽和AR更为重要。例如全球定位系统(global positioning system, GPS)接收机中的CP天线的3 dB ARBW要求大于120°，以保证地球上的任何地方可以较好地接收无线信号[4]。同时，ARBW在波束扫描阵列的终端设备中作为一项重要的性能指标，以实现广角范围内的通信。因此，为了保证CP天线|AR|<3 dB时更宽的仰角和接收信号的稳定性，有类圆极化天线把ARBW作为重要性能指标，被应用于GNSS频段通信[5]。

针对ARBW的研究，主要为了拓宽|AR|<3 dB的角度范围。文献[6]设计了两对平行偶极子，实现了126°的3 dB ARBW。但这种结构需要双面加工，在实际阵列中，单元之间隔离度较低。文献[7]提出了一种毫米波圆极化锥形椭圆腔天线，该天线的3 dB ARBW扩展到134°，但ARBW在2个主平面的对称性不好。文献[8]设计一款MIMO天线，该天线实现双频，但在ARBW上拓展仅140°，并且在2个主平面的宽角范围不对称，不能保证信号在各方向很好地接收。

在实际工程中，更倾向于结构简单，性能优良的天线。因为结构限制，ARBW存在带宽窄，主平面宽角范围不对称的问题。为了解决这个问题，提出了一种枝节延伸的宽轴比波束圆极化天线，采用加载短路针方法来拓宽ARBW，同时延伸枝节改善受短路针影响的阻抗带宽。最终拓宽ARBW和阻抗带宽，其指标可覆盖GNSSs频段。

1 圆极化天线的设计与分析

1.1 圆极化天线设计结构

圆极化天线结构示意图如图 1所示。

注：(a)为天线下层结构示意图，(b)为天线上层结构示意图， (c)为天线侧视图

天线结构主要由2层金属贴片、4个短路针、1对支柱组组成。该天线采用2个幅值相等，相位相差90°的同轴线馈电。上下2层贴片分别印刷在Roger Ultralam 1300基板的顶部，该介质基板相对介电常数εr=3，损耗角正切tanδ=0.003，厚度h=2.5 mm。下层贴片通过4个短路针与地短接。4个短路针设置在下层贴片的4个引脚上，呈现对称分布以保证电场平衡。上层贴片通过一对支柱(FR4，介电常数εr=4.4，损耗角正切tanδ=0.02)焊接到下层贴片。2个馈电点分别位于下层贴片的x轴(feed1)和y轴(feed2)的正半轴上。x轴馈电相位比y轴馈电相位超前90°，形成右旋圆极化 (RHCP)馈电模式。从原点到feed1(或feed2)的距离是Lf，地板设置为无穷大导体，以此增强圆极化天线辐射的方向性。馈电端口采用SMA接头，内径2R1=1 mm，外径2R2=2.3 mm。内导体穿过下基板连接到下层贴片，外导体接地，内外导体之间用材料FR4填充。激励信号通过同轴线传递给下层贴片，进一步耦合到上层贴片，并在2个贴片之间产生谐振，调整悬置高度ha，可有效加深上下层贴片的谐振，以此拓宽阻抗带宽。天线模型采用电磁仿真软件Ansys HFSS 15.0设计分析，该天线结构中：W=56.0 mm,W1=63.0 mm,D=75.5 mm,WS=15.0 mm,Ls=40.0 mm,Lf=23.0 mm,R=0.5 mm,h=2.5 mm,ha=5.2 mm。

1.2 圆极化天线相关原理

短路加载技术通过在辐射贴片和地板之间连接一根短路针，调谐谐振频率，改变天线电尺寸，从而使微带天线由半波谐振天线等效为四分之一波长谐振天线，实现小型化技术[9]。短路针技术不仅可以用来调谐频率[10]，还可以附加垂直电流分量，增大天线辐射强度，提高低仰角增益，从而改善ARBW，提高无线系统的通信范围和质量。

根据惠更斯原理和经典贴片理论[3]，方形微带天线可以等效为在一个方形区域内，正交放置2副激励出平行磁流的偶极子，组成一个天线阵列[11]。在方位角φ=0°和φ=90°的2个主平面中，远区辐射场的电场分量分别为Eφ和Eθ，其归一化强度表达式为：

(1)

Eθ=cos(πsin(θ)We/λ),

(2)

AR=|20lg(Eθ/Eφ)|，

(3)

式中:λ为在自由空间传播波的波长，We为由贴片边缘引起的边缘效应所等效的贴片辐射有效宽度。

AR|θ,φ=F(fr/f0,h/λ0,εr),

(4)

对于加载短路针的天线，ARBW主要随公式(4)中的频率调谐率fr/f0(fr为加载短路针的贴片谐振频率，f0为无短路针的谐振频率)而变化，主要取决于天线的引脚的相对位置D和半径R[11]。

1.3 圆极化天线设计分析过程

圆极化天线的设计思路如图 2所示。

首先，基于微带CP贴片天线(其结构如图3(a)所示),研究了各参数对天线的ARBW和阻抗带宽的影响。贴片的尺寸W、馈线的位置Lf和介质基板的厚度h是分析的关键参数。在2个主平面内(xoz,yoz)，图 3(a)实现了110°的 3 dB ARBW和1.5%的阻抗带宽。针对图 3(a)阻抗带宽窄的问题，利用耦合谐振特性，加载寄生贴片。同时，为了拓宽ARBW，图3(b)将单层贴片结构加载4根短路针，其位置延对角线对称分布。此时，相邻短路针之间的距离D和短路针半径R作为研究的关键参数。通过软件HFSS分析，在2个主平面内(xoz,yoz)，图 3(b)实现了145°的3 dB ARBW和1.0%的阻抗带宽。

图2 天线结构分析导向图Fig. 2 The guidance graph of antenna design

注： (a)为基础模型，(b)为改进模型1， (c)为改进模型2

对比图 3(a)与图 3(b)发现，通过加载短路针，可以有效地拓宽ARBW，但阻抗带宽变窄。针对图 3(b)阻抗带宽窄的问题，悬置方形贴片于图 3(b)模型的上方，悬置高度为ha。仿真结果显示：通过短路针和加载寄生贴片双重改进，可有效拓宽阻抗带宽，但以牺牲ARBW为代价。因此该结构的性能指标ARBW和阻抗带宽相互制约，主要因为加载上层贴片对下层的短路针有干扰，使短路针的附加电场不能规律分布，进一步影响AR的宽角范围。为了解决ARBW与阻抗带宽相互制约的问题，开展了进一步的研究。

图 3(c)中提出了一种枝节延伸的新型结构，该结构的短路针位于延伸的枝节处，并关于原点中心对称。利用此种结构可避免上层贴片对短路针的干扰，以此来消除短路针对阻抗带宽的影响，进而实现短路针和加载寄生贴片的优势，同时拓宽3 dB ARBW和阻抗带宽。在2个主平面内(xoz,yoz)，图 3(c)模型实现了约151°的ARBW和1.0%的阻抗带宽。

表1列出了天线改进的一系列性能指标，在1.6 GHz中心频点处的阻抗带宽、ARBW、HPBW(half power beam width)和增益。如表1所示，通过对比，枝节延伸的圆极化天线3 dB ARBW从基础模型的111°和110°分别扩展到156°和160°，阻抗带宽拓宽至9.0%，辐射主方向增益为8.57 dBi，2个平面中的HPBW为75°。

表1 不同模型性能参数对比Tab. 1 Comparison of performances with different models

2 结果与分析

天线的中心频率主要由下层贴片的尺寸确定，调整上层贴片大小，使上下层贴片实现双谐振，进一步优化短路针和馈电点位置。通过仿真软件HFSS15仿真得到加载短路针的双层微带天线的输入阻抗、阻抗带宽和3dB ARBW、AR的结果。

通过大量的仿真实验表明，阻抗带宽(S11)主要受上层贴片尺寸W1的影响，图4表明天线S11随上层贴片尺寸W1的增大谐振频点上移，且在W1=59 mm和W1=68 mm之间有一个过渡的双谐振点，通过进一步参数扫描分析，当W1=63 mm时，天线|S11|<-10 dB的频带范围内出现双谐振点，以此通过加载寄生贴片，并制定合适尺寸可以加深谐振深度，进而实现阻抗匹配。

当下层贴片尺寸为56 mm×56 mm、上层贴片为63 mm×63 mm时，天线的输入阻抗随频率变化的曲线如图5所示。天线的输入阻抗的实部在频点f1=1.568 GHz和f2=1.694 GHz附近出现2个峰值，2个峰值对应的阻抗虚部近似为零，以此形成阻抗带宽的谐振点。这2个峰值与图6中出现的阻抗匹配双谐振点相对应，并且虚部在频率1.594～1.677 GHz范围内变化平缓，以此来实现阻抗带宽内的谐振，拓宽阻抗带宽。

图4 上层贴片尺寸W1对阻抗带宽的影响Fig. 4 Effects of upper patch size W1 on impedance bandwidth

图5 枝节延伸圆极化天线的输入阻抗随频率变化的曲线Fig. 5 The curve of input impedance of branch CP antenna with frequency

天线的阻抗带宽如图6所示，阻抗带宽(|S11|<-10 dB的频率范围)为1.563～1.708 GHz，其相对阻抗带宽约为9.0%。圆极化天线的另一个激励端口的阻抗带宽(|S22|<-10 dB )频率范围同为1.563～1.708 GHz，且两个端口的对称性较好。由此可见，在低频段，附加寄生贴片将天线带宽拓宽了约100 MHz，显著改善微带线的阻抗带宽。

短路针的位置Lf和半径R不变，ARBW主要受枝节的宽度WS和短路针的相邻距离D影响。但D主要影响3 dB ARBW的带内平坦度，调整枝节的宽度WS，成为调节ARBW的重要参数。由图7可得，随着枝节宽度WS增大，φ=0°主平面的ARBW先加宽后变窄，与φ=90°主平面结果类似。天线枝节宽度对ARBW改善有很好效果，通过参数优化，适当调整WS。当枝节宽度WS大于15 mm，ARBW急剧变窄。为了衡量WS对天线的阻抗带宽和ARBW双重影响，最终选定WS=15 mm。

图6 枝节延伸天线的阻抗带宽Fig. 6 Impedance bandwidth of the branch antenna

图7 枝节宽度WS对ARBW的影响Fig. 7 Effects of branch width WS on ARBW

2个主平面φ=0°和φ=90°上AR随着θ的变化曲线如图 8所示。

图8 2个主平面AR随角度θ变化曲线Fig. 8 The curve of AR of two main planes with θ

在φ=0°主平面上，3 dB轴比宽角范围为-79°～77°。由图8可知，轴比在3 dB以下的宽角范围波动较小，平坦度较好。|AR|<3 dB的宽角范围达到156°。在φ=90°主平面上，3 dB轴比宽角范围为-78°～82°，|AR|<3 dB的宽角范围达到160°。与没有加载短路针的天线对比，天线在φ=0°主平面上3 dB宽角轴比拓宽46°。在φ=90°主平面上3 dB宽角轴比拓宽49°。结果表明：通过枝节延伸的方法可以避免上层贴片对短路针附加电场的干扰，从而进一步实现阻抗带宽和ARBW双重良好的性能。

图9主要研究天线AR随频率变化的曲线，|AR|<3 dB频率范围为1.05～1.89 GHz，在频点1.6 GHz附近|AR|≤1，说明天线在该范围圆极化纯度较好。通过测量轴比带宽性能，可以观察该天线在不同频点的圆极化稳定性，以此来拓展天线的应用范围。

图9 天线的AR随频率变化的曲线Fig. 9 The AR curve of antenna with frequency

3 结论

本文提出了一种枝节延伸的宽轴比波束圆极化天线。该天线主要的创新点：(1)通过加载短路针的方法，使得中心频点1.6 GHz不变的情况下，有效地拓宽ARBW。(2)对下层辐射贴片枝节延伸，避免上层贴片对短路针电场分布的干扰，从而同时拓宽阻抗带宽和ARBW。该性能可以提高圆极化的纯度，保证天线的覆盖面。最后通过性能仿真和参数分析，优化模型结构和参数设置，实现|AR|<3 dB的ARBW在xoz面为160°，在yoz面为156°。本文提出的天线3 dB ARBW远大于120°，同时在xoz和yoz2个主平面宽角范围对称性较好，能够较好地应用于GNSS的L频段的接收设备中。