一种低剖面圆极化微带阵列天线的设计

詹敏峰 李俊 陈韶明

摘  要：为了适应宽波束覆盖需求的圆极化天线，同时展宽微带天线的轴比带宽，提出了一种新的低剖面1×4圆极化微带阵列天线。天线阵列由四个微带贴片单元组成的直线阵列，通过改变每个辐射贴片单元的馈电方向，按照一定规律组合，单元合成时通过相互抵消、抑制，可以有效提高阻抗带宽以及轴比带宽。仿真和实测结果表明，该天线阵在0.79～0.96 GHz回波损耗低于-15 dB，轴比小于3 dB。天线具有低剖面、结构简单、易于加工等特点，满足预期设计要求。

关键词：圆极化；阵列天线；轴比；低剖面

中图分类号：TN828.6  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）02-0045-04

Design of a Low Profile Circular Polarization Microstrip Array Antenna

ZHAN Minfeng， LI Jun， CHEN Shaoming

（CETC Potevio Science & Technology Co.， Ltd.， Guangzhou  510310， China）

Abstract： In order to adapt to the circular polarization antenna with wide beam coverage and broaden the axial ratio bandwidth of microstrip antenna， a new low profile 1×4 circular polarization microstrip array antenna. The antenna array is a linear array composed of four microstrip patch elements. By changing the feed direction of each radiation patch unit and combining according to a certain rule， the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth can be effectively improved through mutual cancellation and suppression when the units are combined. The simulation and measurement results show that the return loss of the antenna array is less than - 15 dB and the axial ratio is less than 3 dB at 0.79 ～ 0.96 GHz. The antenna has the characteristics of low profile， simple structure and easy processing， meeting the expected design requirements.

Keywords： circular polarization; array antenna; axial ratio; low profile

0  引  言

隨着移动通信技术不断发展，圆极化天线也得到广泛应用。圆极化天线的优势主要体现在三个方面：一是能降低多径效应导致的时延扩散，降低码间串扰，降低误码率，提高通信质量；二是能够减少电离层引起的法拉第旋转效应；三是可以接收任意线极化波，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到，且圆极化天线波入射到对称目标反射波反旋向。基于在接收和发射上具有更大灵活性和特点，圆极化天线广泛应用于卫星通信、移动通信、射频识别和无线能量传输等系统中。圆极化天线的研究包括两个方面：扩展带宽以提高信号传输量和扩展波束宽度接收更广范围信号。为保证通信质量，在无线通信系统中，如无人机、RFID定位系统、车载天线、无线局域网也都需要具有宽的波束宽的圆极化天线[1，2]。

微带天线具有低剖面、成本低、体积小、重量轻、制作简单、易于集成等优点，缺点是天线的阻抗带宽和轴比较窄，普通微带天线其相对带宽通常只有1%～6%。展宽频带是圆极化天线设计中需要解决的关键问题。微带天线拓展带宽的方法通常有附加寄生耦合、贴片开槽、探针耦合、缝隙耦合多点馈电、提高天线剖面、使用高介电常数介质板等[2，3]，这些方法虽然能提高带宽，但有些不适用要求低剖面的情形[4-6]，并且成本相对提高较多，不适合量产。另外当需要天线具有较高的增益时，通常采用阵列的方式，一般都是通过正方形2×2的子阵列进行分析，常采用顺序旋转馈电法扩展带宽、轴比、提高增益，如文献[7-10]，其方法是将4个线极化单元绕中心依次以90°的增量旋转，其激励相位也依次相差90°，改变相位差的正负，可以形成左旋或右旋圆极化，但这种正方形阵列波束偏窄，有些场景不适用。本文从另外一个角度，研究一种直线分布的阵列结构，通过改变每个辐射贴片单元的馈电方向，按照一定规律组合，设计了一种1×4小型微带阵列，在满足宽波束覆盖需求的同时，提高了天线带宽、轴比性能。

1  圆极化微带辐射单元的设计与分析

微带圆极化天线辐射单元的设计主要包括基板的选择、辐射帖片尺寸计算和馈电方式的设计。如图1所示是所设计的圆极化微带帖片单元结构，是由单层介板构成矩形微带帖片单元。设计的基板顶层是印制有1个辐射贴片以及1个一分二功分器的馈电电路，且辐射帖片为正方形。

1.1  选择介质基板取

需要考虑的特性指标包括介电常数、损耗角正切角等，这些特性指标影响微带天线的轴比波束宽度、阻抗带宽以及天线效率等，选取介电常数低一些的介质板可以降低天线辐射的Q值，减小表面波对天线性能的影响，天线辐射的边缘场增强。随着介电常数的减小，天线宽角轴比拓宽，阻抗带宽拓宽，有利于天线圆极化纯度和天线频带性能，综合考虑，确定介质层是FR4材质的基板，其介电常数为εr=4.4，损耗正切角为0.02，板材厚度为h=3 mm。

1.2  确定微带辐射帖片尺寸

基于微带天线理论，矩形微带帖片天线可以将辐射元看作是一段长为L的低阻抗微带传输线，传输线的两端断开形成开路，开路处两电场垂直分量反向，水平分量同相。贴片可以等效为相距半个波长，长度为W的两个缝隙（磁偶极子）。帖片单元的长和宽分别为：

（1）

（2）

（3）

式中λg为介质中波长，f0为中心频率，考虑到边缘场的影响在设计时：

（4）

（5）

取中心频点875 MHz，由上式可估算出微带帖片单元的初步尺寸，兼顾圆极化性能及结构尺寸需要，经过仿真优化后，正方形辐射单元边长取W=76 mm。由微带天线的辐射机理可知，天线辐射口径分布在贴片天线的宽边等效缝隙附近。因介质板对天线的辐射影响较小，一般界定其尺寸大于辐射单元1/5介质波长，介质板尺寸Lg、Wg取值满足：

（6）

（7）

地板的大小主要影响辐射参数，如增益、半功率波瓣宽度、宽角轴比等。地板大小与增益和宽角轴比成正比关系，为了拓宽角轴比，实现一定的天线增益，本文将地板设为Wg=200 mm。

1.3  设计馈电方式

微带天线实现圆极化辐射的机理是激励微带贴片产生两个在空间上相互正交的等幅、相位相差90°的简并模。矩形微带帖片的馈电方式包括单馈法、多馈法和多元法。单馈法是利用一个馈电点通过几何微扰的方式，激励产生两个幅度相等相位相差90°的极化正交简并模形成圆极化波，通常微带圆极化天线一般是通过单贴片切角、表面开槽、加载等方法来实现，单馈法的缺点是带宽较窄，一般适用于单频点工作；多馈法是指有多个馈电点进行馈电，常见的有双馈和四馈，多馈电方法可以抑制高次模、提高极化纯度和带宽。多馈法为了产生馈点之间的相位差，需要引入如圆环功分器、Willkinson功分器、T形功分器、3 dB电桥功分器等馈电网络，这些缺点增加了整体设计复杂度和成本，另外馈电网络往往会影响天线性能；多元法是指天线由几个线极化天线单元组阵产生，通常由四个线极化单元组成，位置排布依次旋转90°，且馈点相位依次相差90°，多元法与多馈点缺点相同。馈点位置有直接馈电、边馈、耦合馈电等多种方式，不同的馈电方式影响带宽及实现的难易程度。通常直接馈电方式相对带宽较窄约为2.2%、边馈方式的相对带宽约为6.5%、耦合馈电方式通过电容补偿调节，相对带宽可达20%。为了使天线具有较低的剖面，如图1采用了边馈方式，即馈电位置与微带帖片在同一平面上。在图1中，辐射单元是通过一分二功分器提供二路幅度相等、相位相差90°的激励信号，产生相交的简并模式，形成圆极化波。综合考虑带宽、轴比以及方向图等性能，为了提高带宽，馈电电路采用了带隔离电阻的微尔金森（Wilkinson）一分二功分器，其中隔离电阻为100 Ω；采用隔离电阻的作用是保证功分电路的幅度和相位随频率变化分布均匀，可以有效扩展带宽。

经优化后，图1中馈电网络电路其他尺寸如表1所示。微带帖片单元的仿真结果如图2所示，回波损耗低于-10的带宽为0.85～1 GHz，轴比3左右的带宽0.85～0.97 GHz。

2  阵列设计分析及仿真

在上述圆极化微带帖片单元基础上，设计了一种1×4的直线型阵列天线。首先对阵列的分布进行分析，如图3所示，对比分析了三种情况下轴比变化情况。三种阵列的区别在于帖片单元激励方向以及对应的初始相位变化上：阵列一的四个单元馈电方向相同，且等幅等相位，阵列二四个单元依次逆时针旋转90°，同时馈电幅度相等，相位依次为0°、-90°、-180°、-270°；阵列三是在阵列二的基础上一个调整，呈沿阵列中心对称结构，馈电幅度相等，相位依次为0°、-90°、-270°、-180°，与阵列二不同的是，阵列三的布局可以看成是右方两个单元绕中心旋转180°所得，因此馈电时需要反相180°，能进一步提高匹配带宽。以上阵列中微带单元馈电相位的大小以及旋转方向选择是与微带单元形成圆极化波的极化方向有关的，在单元设计中，两个馈电点的相位是沿逆时针方向且相差90°，分别为0°、-90°，此时形成右旋圆极化波，因此阵列二中单元也应按照逆时针方向旋转民，并且每个单元馈电的相位也应是相差90°分布。通过仿真对比，如图4所示，阵列一与微带帖片单元的轴比带宽明显要低于阵列二和阵列三，可以看出，改变阵列中微带帖片单元的馈电方向和相位对提高阵列的轴比带宽是有明显改善的。

在此基础上设计了完整的阵列，如图5所示，所设计的天线阵列放置在Wf =400 mm、Lf =1 000 mm的金属反射面上，是由四个微带辐射贴片单元cell1～cell4和馈电电路组成；帖片单元沿直线均匀排列，单元间距d=200 mm；四个贴片单元分别对应由一分二功分器实现等幅、相位相差90°馈电，且每个帖片单元的馈电方向均不相同；相对于cell1单元，cell2逆时针旋转了90°，cell1和cell2也是通过一分二功分器相连，且cell2相位落后于cell1单元90°。cell1和cell2连接后，再沿中心旋转180°可以得到cell3和cell4；两者也是通过一分二功分器相连，合成天线阵总的端口Port，且cell3和cell4相位與cell1和cell2相位相差180°，即相位相反。为进一步提高提高带宽，上述所有一分二功分器，均如图示位置设置了100 Ω平衡电阻，保证功分电路的幅度和相位随频率变化分布均匀。

阵列的S参数和实测结果如图6所示，在0.79～0.96 GHz范围内，回波损耗低于-15，轴比小于3 dB，图7为f =0.9 GHz时的方向图，水平面波束宽度为81.4°，垂直面角度为22.5°，主瓣方向仿真和实测基本一致。

3  结  论

通过研究一种新型的圆极化阵列天线，提供一种提高圆极化天线带宽的方式，中心频率为875 MHz，介质层1为PCB基板，材料是常数为4.4的FR-4，厚度为3 mm，辐射贴片单元边长为0.47 mm，利用旋转馈电和反相对称馈电技术，通过改变每个辐射贴片单元的馈电方向，并按照一定规律组合，单元合成时通过相互抵消、抑制，可以有效提高阻抗带宽以及轴比带宽，通过1×4的微带天线阵仿真及实测验证，取得较好的实验结果，具有较好回波损耗和轴比，相对带宽达到20%；该天线具有覆盖范围广、结构简单、剖面低、制造方便，稳定可靠等特点。实际应用于RFID系统中取得良好效果。采用的设计方法对于天线有低剖面、小型化以及宽带等性能要求具有一定的指導作用，可应用于RFID、卫星通信和5G系统中。

参考文献：

[1] 钟顺时.天线理论与技术 [M].北京：电子工业出版社，2011.

[2] 毛宁馨.低剖面宽波束圆极化天线研究 [D].成都：电子科技大学，2020.

[3] 朱莉，高向军，梁建刚.宽带圆极化微带天线的几种实现方法 [J].现代电子技术，2007（23）：82-84.

[4] 刘辉.差分馈电宽带圆极化天线研究 [D].广州：华南理工大学，2017.

[5] 丁航，陈凯亚，程友峰，等.基于小型化HIS结构的宽波束微带圆极化天线设计 [J].现代电子技术，2021，44（7）：1-5.

[6] 张静.新型平面宽带圆极化天线研究 [D].南京：南京邮电大学，2016.

[7] 王开开，陈明，李聪，等.一种旋转馈电的圆极化微带阵列天线设计 [J].电子元件与材料，2019，38（7）：80-84.

[8] 傅世强，刘璐，房少军.新型顺序旋转四馈电圆极化叠层微带天线设计 [J].电子元件与材料，2021，40（10）：1047-1051.

[9] 傅世强，张宁，房少军.一种新型布局的圆极化微带天线阵优化设计 [J].电子元件与材料，2022，41（2）：195-199+205.

[10] LUO Y，CHU Q X，ZHU L. A low-profile wide-beamwidth Circularly-polarized Antenna via Two pairs of parallel Dipoles in a Square Contour [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（3）：931-936.

作者简介：詹敏峰（1980—），男，汉族，湖北黄冈人，助理工程师，本科，研究方向：电波传播以及天馈技术；李俊（1973—），男，汉族，湖北荆门人，工程师，硕士研究生，研究方向：电波传播以及天馈技术；陈韶明（1978—），男，汉族，广东湛江人，助理工程师，本科，研究方向：电波传播以及天馈技术。

收稿日期：2022-08-09