一種新型C波段寬帶圓極化貼片天線的設計

摘 要：采用電磁仿真計算軟件HFSS設計并仿真了一種工作于C波段寬帶圓極化微帶貼片天線。天線采用雙饋點對圓形微帶貼片進行饋電，實現圓極化；選用兩層聚四氟乙烯玻璃纖維板作為介質，通過底層饋電網絡由探針穿過中間地板層對上層圓形貼片進行饋電，在探針周圍用環形槽將探針與地板進行隔離，并增加了天線的諧振點，從而進一步擴展了天線頻帶。結果表明天線的相對帶寬約為30%，并且E面、H面3 dB軸比角度均大于90°。

關鍵詞：寬頻帶； 圓形貼片天線； 圓極化; 帶寬

中圖分類號：TN82-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0095-03

Design of Broadband Circularly Polarized Patch Antenna Working at C Band

GAO Yao， WEI Gao

(College of Electronic Engineering， Northwestern Polytechnic University， Xi’an 710129， China)

Abstract： A broadband circularly polarized microstrip patch antenna working at C band was designed and simulated by HFSS software. The antenna used doubly-fed points to realize circular polarization， selected two-layer PTFE glass fiber board as medium， adopted the ground plane to isolate the feed network and the radiation patch for reducing the influence of feed network on the properties of antenna circular polarization. The experimental results show that the relative bandwidth of the antenna is about 30%， and the 3 dB axial ratio angles of E-plane and H-plane are more than 90 degree.

Keywords： broadband; circular patch antenna; circular polarization; band width

0 引 言

由于圓極化波的良好特性，在探測、衛星通訊等領域有著廣泛的應用，所以圓極化天線受到廣大工程師的青睞。而這些領域通常要求設備的小型化，以及與衛星、飛機等飛行器共形來減小對飛行器的空氣動力學影響，微帶天線則占有很重要的地位。微帶天線具有低剖面、小體積、容易實現多頻段等優點，但是它有其固有缺陷，即寬帶比較窄，一般只有5%左右［1-2］。因此，展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。目前，隨著圓極化微帶天線的應用越來越廣，對于如何設計圓極化微帶天線已經形成了很多成熟的方法［2-4］。在貼片對稱軸方向兩端加載縫隙；在貼片中心加載縫隙；采用多層十字形縫隙耦合等。這些方法制作起來比較簡單，容易加工，但是圓極化角度較小并且帶寬較窄。

本文中的天線采用兩層較薄的聚四氟乙烯介質，使單個圓形貼片的阻抗帶寬在S波段內達到30%，滿足了現代通信對天線帶寬的要求。采用雙饋電進行饋電使天線很容易實現圓極化，可以根據頻率需要而設計天線尺寸。

1 微帶天線的模型結構

微帶貼片天線的模型結構如圖1和圖2所示，天線分為三層結構［3］，上層為圓形微帶貼片天線，中間為地板，下層是正交混合網絡的饋電網絡，在兩個饋電點形成90°的相位差。三層之間均用介電常數為2.65的聚四氟乙烯填充，如圖1所示厚度分別為h1，h2。與傳統的天線不同，該天線用地板層將饋電網絡和輻射貼片隔離開，以減小饋電網絡對天線圓極化性能的影響。這樣就必須采用探針對天線進行饋電，在探針周圍設計環形縫隙［5-6］，一是可以將饋電與地板隔離，二是與探針接觸的半徑為r1的圓片可以抵消探針引入的部分電感，從而達到展寬頻帶的作用。

這樣就可以有效地優化天線饋電點處的阻抗，展寬其阻抗帶寬。

在探針周圍的地板上加載縫隙可以一定程度上影響天線的諧振特性，如果縫隙的諧振頻率與貼片的諧振頻率相差不遠，天線的阻抗帶寬則很有可能被展寬，常見的圓形貼片加載C形縫隙的形式就可以起到展寬天線帶寬［9］的作用。本天線采用地板上加載環形縫隙，也可以實現這一點，下文將會就縫隙對天線阻抗特性的影響作出討論。

3 微帶天線的相關尺寸及諧振特性

采用式(1)計算出天線諧振頻率在5.1 GHz時的圓形貼片半徑為10.6 mm，調整為R=10 mm，經過仿真得出饋電點的位置d=3.4 mm，饋電探針圓盤的半徑r1=1.2 mm，環形縫隙的寬度w=0.6 mm，兩層介質均為h1=1 mm，h2=1 mm。

圖3顯示了單點饋電與兩點饋電貼片天線的S11參數，由圖3中可以看出：

(1) 采用單點饋電的圓形微帶天線的諧振頻率與設計目標較為符合，但是帶寬很窄，S11曲線低于-10 dB的范圍僅越為200 MHz;

(2) 采用分支線耦合器［10］兩點饋電的微帶貼片天線可使帶寬增加至2.5 GHz。

如圖4所示添加二極管進行控制，可以實現線極化和圓極化之間的切換。圖中各尺寸如下：L1=5.8 mm，L2=10.7 mm，L3=11.8 mm，W1=2.8 mm，W2=2.7 mm，W3=4.9 mm。

3.1 地板上縫隙的半徑對天線帶寬的影響

地板加載環形縫隙可以直接補償探針引出的電感，因此縫隙半徑r1對天線的諧振特性有影響，如圖5所示，r1由小變大時，第一諧振點(2.5 GHz)的位置會向右移動，且趨勢會變快。

3.2 縫隙的寬度對天線帶寬的影響

環形縫隙w的大小會影響天線的帶寬，如圖6可見w變大時，諧振點向右移動并且設計的中心頻率附近的S11會下降。

4 微帶天線的圓極化帶寬和方向圖

采用上文各個參數的尺寸，可以得到如圖7所示的圓極化軸比。AR<3的頻帶范圍大致從4.75～6.1 GHz，相對軸比帶寬達到26%。

圖8顯示的是天線在中心頻率點5.1 GHz的φ=0°和φ=90°兩個面的圓極化軸比，從圖中可以看出φ=0°面圓極化角度大于100°，φ=90°面圓極化角度約為75°。

5 結 論

綜上所述，針對傳統單點饋電圓極化微帶貼片天線帶寬較窄的缺點，本文采用兩點饋電。雖然正交混合網

絡的帶寬并不寬，但是用加載有縫隙的地板將饋電網絡與輻射貼片隔離，并且縫隙可以補償探針所引入的電感，大幅度增大了微帶天線的帶寬，使天線在C波段內相對帶寬達到了30%。并且圓極化軸比具有較寬的頻帶特性，相對軸比帶寬約為26%，其饋電方式可為工程設計提供有價值的參考。

參 考 文 獻

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作者簡介：

高 堯 男，1986年出生，陜西西安人，碩士研究生。主要研究方向為電磁場與微波技術、應用微波技術。

韋 高 男，1963年出生，山東單縣人，教授，博士生導師。主要研究領域為微波測量、微波通信、應用微波技術。