X波段寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

摘 要:介紹一種新型寬帶圓極化微帶天線。該天線采用同軸線單點(diǎn)饋電，通過在圓形貼片上開C型縫的方法，實(shí)現(xiàn)了圓極化并展寬了阻抗帶寬;采用層疊結(jié)構(gòu)，使上下兩層貼片諧振于相近的頻率，從而顯著提高了天線的軸比帶寬和阻抗帶寬。仿真結(jié)果顯示，該新型天線工作于X波段時(shí)，3 dB軸比帶寬為13.9%，VSWR<2的阻抗帶寬達(dá)到35.4%。結(jié)果證明，在貼片上開C型縫是實(shí)現(xiàn)圓極化的有效方法。

關(guān)鍵詞:微帶天線;圓極化;寬帶;縫隙;層疊結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào):TN82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)01-100-03

Design of X-Band Broadband Circularly Polarized Microstrip Antenna

SHAO Xiaoliang1，ZOU Yongqing2

(1.School of Electronics and Science，Anhui University，Hefei，230039，China;2.East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei，230031，China)

Abstract:A novel single-layer single-patch broadband Circularly Polarized(CP) microstrip antenna is introduced. The antenna is fed by a single coaxial probe.It can not only creat circularly polarized but also enhance the standing wave ratio by embedding a C shape slot in the patch.The simulated results show that the 3 dB axial ratio of this patch antenna is up to 13.9% and the 2 V standing wave ratio bandwidth(VSWR<2) is up to 35.4%.It is demonstrated through the simulated resultes that circularly polarized can be achieved by embedding a C shape slot in the patch.

Keywords:microstrip antenna;circularly polarized; broadband;slot;stacked structure

0 引 言

從微帶天線的概念提出以來，因具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，剖面低，易與載體共形等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、射頻識(shí)別、導(dǎo)航等領(lǐng)域。其中，圓極化微帶天線又因其能夠接受任意極化的來波，且其輻射的圓極化波可以被任意極化的天線所接收的優(yōu)點(diǎn)而越來越受到青睞。微帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生幅度相等、相位相差90°的兩個(gè)相互正交的線極化波，即產(chǎn)生兩個(gè)在空間和時(shí)間上都正交的線極化波。為達(dá)到上述要求，圓極化微帶天線在饋電方式上主要可以分為以下三種形式:單點(diǎn)饋電[1-4]、雙點(diǎn)饋電[5-7]或四點(diǎn)饋電[8]。其中，單饋點(diǎn)圓極化微帶天線不需要功分器和移相器等正交饋電網(wǎng)絡(luò)，因此結(jié)構(gòu)最為簡單，但缺點(diǎn)是軸比帶寬較窄。文獻(xiàn)[5-8]中分別采用了雙電饋電或四點(diǎn)饋電，不同程度地?cái)U(kuò)展了圓極化軸比帶寬，但都具有饋線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]采用方形切角貼片，利用層疊結(jié)構(gòu)取得了較寬的軸比帶寬，但其采用的是耦合饋電，且阻抗帶寬遠(yuǎn)低于本文提出的新型天線。

本文在對(duì)上述結(jié)構(gòu)比較研究之后，通過在貼片表面開槽，并采用層疊結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)X波段單饋點(diǎn)圓極化微帶天線，實(shí)現(xiàn)了天線阻抗帶寬于軸比帶寬的同時(shí)展寬。利用HFSS模擬仿真以及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，這種天線在工作于9.7 GHz時(shí)，其阻抗帶寬達(dá)到了33%，軸比帶寬達(dá)到了13.9%，且采用了傳統(tǒng)的同軸饋電，結(jié)構(gòu)簡單，易加工。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

微帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生幅度相等、相位相差90°的兩個(gè)相互正交的線極化波，即產(chǎn)生兩個(gè)在空間和時(shí)間上都正交的線極化波。本文提出的天線采用在貼片上開槽的方法實(shí)現(xiàn)上述要求。圖1為所設(shè)計(jì)的新型天線結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，該天線為層疊結(jié)構(gòu)，采用50 Ω同軸探針饋電。上層貼片倒置于上層介質(zhì)板，下層貼片與接地板分別位于下層介質(zhì)板的兩側(cè)，上下兩層介質(zhì)板之間用空氣層隔開。空氣層的引入相當(dāng)于增加了上層介質(zhì)板的厚度，因此減小了上層介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)，即降低了該微帶天線的Q值，從而達(dá)到了增加帶寬的目的。上層介質(zhì)板:厚度h1=0.5 mm，介電常數(shù)ε1=2.94;下層介質(zhì)板:厚度h3=1 mm，介電常數(shù)ε3=2.9;空氣層高度h2=2.8 mm，ε2 =1.000 6;總厚度為4.3 mm(約為0.139λ0)。上下兩層貼片都是采用在圓形貼片上開C型槽的結(jié)構(gòu)，C型槽由與貼片同心的兩道圓弧構(gòu)成。上層貼片為寄生貼片，半徑為 R1;C型槽的內(nèi)外半徑分別為r1和r2。合理地調(diào)節(jié)r1和r2，使其諧振頻率與下層貼片相近，從而使天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都得到明顯提高。下層激勵(lì)貼片半徑為R2;C型槽內(nèi)外半徑分別為r3和r4。貼片尺寸根據(jù)空腔模型理論[10]分析得出，由腔模理論可得，圓形微帶天線為Tmn模時(shí)的諧振頻率與貼片半徑間關(guān)系式:

fmn=cχmn2πaεr

式中:χmn是n階貝賽爾函數(shù)的第m個(gè)零點(diǎn)，本天線工作于圓貼片微帶天線的主模T11模，查表可得χ11=1.841;a是計(jì)入邊緣效應(yīng)的等效半徑，它與物理半徑a′的關(guān)系如下:

a=a′1+2hπa′εr(lnπa′2h+1.772 6)1/2

圖1 天線結(jié)構(gòu)

由上述關(guān)系算出的貼片半徑與實(shí)際貼片半徑仍有偏差，這是因?yàn)樵谫N片上開槽的原因。該C型縫隙使貼片表面的電流發(fā)生了繞流，如圖2所示。從圖2中可以看出，電流流徑在縫隙附近發(fā)生了一些改變。這種縫隙對(duì)貼片表面電流流徑的擾動(dòng)產(chǎn)生了下述兩個(gè)結(jié)果。

圖2 開槽后的貼片表面電流

(1) 形成了圓極化輻射波。圓形微帶貼片天線在貼片上沒有加載縫隙的情況下，通常工作于主模TM11模;當(dāng)貼片表面加載C型縫隙后，貼片表面的電流流徑受到了縫隙的擾動(dòng)，使主模分離為兩個(gè)相臨近的模式。調(diào)節(jié)縫隙的尺寸以及縫隙與饋點(diǎn)的相對(duì)位置，可以使這兩個(gè)模式相互正交且相位相差90°，從而形成圓極化輻射。圖1中，B點(diǎn)是A點(diǎn)關(guān)于C型縫隙的對(duì)稱點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)，在縫隙的右下方A點(diǎn)饋電可以得到左旋圓極化。此時(shí)若改為在B點(diǎn)饋電，由于對(duì)稱關(guān)系，可得到右旋圓極化。

(2) 擴(kuò)展了阻抗帶寬。由于縫隙對(duì)電流的微擾作用，在天線的主諧振頻率附近形成了兩個(gè)諧振點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)縫隙尺寸以及饋點(diǎn)位置可以使這兩個(gè)諧振點(diǎn)逐漸靠攏到一起，并達(dá)到較為理想的匹配狀況，從而展寬天線的阻抗帶寬。

在設(shè)計(jì)了天線的各項(xiàng)幾何參數(shù)后，借助高頻仿真軟件HFSS 10，經(jīng)多次參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化仿真，得到了較為滿意的仿真結(jié)果。

2 仿真結(jié)果

通過對(duì)天線各項(xiàng)參數(shù)的反復(fù)調(diào)整發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)貼片上C型槽半徑對(duì)天線軸比帶寬影響較大。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

由圖3(a)可以看出，保持C型槽寬度不變，隨著r3的增大，軸比的兩個(gè)最小值相互遠(yuǎn)離，從而天線3 dB軸比增加，但當(dāng)r3增大到一定值后，軸比的兩個(gè)最小值之間會(huì)超過3 dB。因此選擇r3=4.45 mm，r4=4.15 mm。此時(shí)，寄生貼片的半徑R1=6 mm，C型槽內(nèi)外圓半徑分別為r1=5.25 mm和r2=4.95 mm;上下兩層貼片上的C型槽寬度皆為0.3 mm，饋電位置為(-1.5，3)。圖3(b)，圖3(c)為天線VSWR和AR的最終仿真結(jié)果圖。

由圖可以看出，3 dB帶寬為13.9%，VSWR<2的阻抗帶寬達(dá)到35.4%，天線工作在中心頻率9.7 GHz時(shí)，增益約為8.4 dB。圖3(d)為天線中心頻率E面和H面的方向圖。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種新型的單饋電圓極化微帶天線。通過在貼片表面開槽的方法，不僅實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射波，而且達(dá)到了展寬阻抗帶寬的目的，且因天線采用傳統(tǒng)的同軸線單點(diǎn)饋電，所以其結(jié)構(gòu)大為簡化，使得天線的應(yīng)用更為靈活。通過HFSS仿真得到天線的3 dB軸比帶寬為35.4%，阻抗帶寬達(dá)到13.9%。該天線在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]Kin-Lu Wong，Chien-Chin Huang，Wen-Shan Chen.Printed Ring Slot Antenna for Circular Polarization[J].IEEE Trans.on AP，2002(1):75-77.

[2]Choon Sae Lee，Vahakn Nalbandian.Planar Circularly Polarized Microstrip Antenna with a Single Feed[J].IEEE Trans.on AP，1999(6):1 005-1 007.

[3]Chow Yen Desrnond Sim，Kuang-Woei Lin，Jeen-Sheen Row.Design of An Annular-Ring Microstrip Antenna for Circular Polarized[J].IEEE Trans.on AP，2004(4):471-474.

[4]Jui-Han Lu，Chia-Luan Tang，Kin-Lu Wong.Single-Feed Slotted Equilateral-Ttiangular Microstrip Antenna for Circular Polarization[J].IEEE Trans.on AP，1999(7):1 174-1 178.

[5]Lau K L，Luk K M.A Novel Wide-Band Circularly Polarized Patch Antenna Based on L-Probe and Aperture-Coupling Techniques[J]. IEEE Trans.on AP，2005(1):577-580.

[6]張輝，張曉發(fā).基于H形縫隙耦合的寬帶圓極化微帶天線[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2007，29(4):991-993.

[7]Kin-Lu Wong，Tzung-Wern Chiou.Broad-Band Sing-Patch Circularly Polarized Microstrip Antenna with Dual Capacitively Coupled Feeds[J].IEEE Trans.on AP，2001(1):41-44.

[8]胡明春，杜小輝，李建新.寬帶寬角圓極化貼片天線的實(shí)驗(yàn)研究[J].電子學(xué)報(bào)，2002(12):1 888-1 890.

[9]朱莉，王光明，高向軍，等.一種新型寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2008，24(3):21-24.

[10]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[11]王騫，席曉莉.小型雙頻圓極化微帶天線[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(5)87-88，92.