一種雙頻雙圓極化共面波導饋電縫隙天線

趙文奇，韋 高

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

隨著現代通訊技術的發展，單一極化方式已難滿足要求，圓極化天線的應用就變得愈加重要。因此，近年來對圓極化天線的研究越來越廣泛。其中，利用共面波導（CPW）饋電的縫隙天線已經獲得了相當的關注，由于其良好的特性，如易加工，低剖面，寬帶寬以及容易實現與無源、有源器件在微波電路中的串并聯（不需要在基片上穿孔），容易提高電路密度等。實際上，已經提出了多種類型的圓極化共面波導饋電縫隙天線[1－8]。例如通過在接地平面相連一個倒L型導帶[1]或兩個螺旋型導帶[2]來實現雙頻圓極化，或是包括導帶蝕刻天線[3]，雙單極子天線[4－6]，圓環縫隙天線[7]在內的各種結構都可以實現圓極化性能。2008年，J．Y．Sze提出了添加一對倒L型接地帶的共面波導饋電縫隙天線[8]。文中，利用改進的開口接地環形導帶以及添加水平短截線的結構來使所設計天線實現雙頻雙旋向圓極化輻射。仿真和實驗結果表明了所設計天線的性能，它可以應用在GPS和WLAN系統上。

1 天線設計

所設計的天線采用厚度為1 mm的FR4介質基板，相對介電常數為4．4，天線的結構及具體參數如圖1（a）所示。兩開口接地環形導帶相對放置，其水平短截線與信號帶相連。開口環形導帶影響所覆蓋的頻帶范圍，連接在信號帶上的水平短截線對于阻抗帶寬和軸比帶寬都有著重要的作用。所設計天線使用的信號帶不同于傳統的形式[1]，信號帶的寬度要寬于饋電帶，用來改善阻抗帶寬。開口環形導帶的兩條邊的長度會影響雙頻的頻段，頂部右側的開口環形導帶開口位置的不同主要是為了提高軸比帶寬。天線在低頻段輻射右旋圓極化，在高頻段輻射左旋圓極化。

2 仿真與實測結果分析

圖1 圓極化天線Fig．1 Circularly polarized antenna

采用Ansoft公司的商業軟件HFSS[9]對天線進行仿真，并根據仿真模型制作了天線實物，如圖1（b）所示。該天線的S11曲線如圖2（a）所示，仿真結果與實測結果有較好的一致性。從測量結果中可以看到，其小于－10 dB的S11曲線覆蓋兩個頻段，分別是從 1．4～1．85 GHz（帶寬=450 MHz，27．69%），以及從 2．075～2．7 GHz（帶寬=625 MHz，26．17%）。圖 2（b）顯示的是天線的軸比曲線。實測兩波段軸比帶寬分別是20．51%（從 1．4～1．72 GHz）和 13．44%（從 2．36～2．7 GHz）。 仿真和實測結果的差異主要是由加工誤差以及測試誤差引起的。

圖2 天線S11、軸比仿真與測試結果Fig．2 Simulated and measured S11， axial ratio of the antenna

圖 3 天線電流分布：（a） 1．55 GHz and （b） 2．55 GHzFig．3 Simulated current distributions:（a） 1．55 GHz and （b） 2．55 GHz

圖3 給出了所設計天線分別在1．55 GHz和2．55 GHz處的00，450和900的電流分布。可以觀察到電流分布的變化趨勢是，在 1．55 GHz 是右旋的，在 2．55 GHz 處是左旋的，這與以下事實相一致，即1．55 GHz處天線輻射右旋圓極化，2．55 GHz處天線輻射左旋圓極化。

圖4 天線方向圖測試結果Fig．4 Measured radiation pattern of the antenna

1．55 GHz和2．55 GHz處方向圖的測試結果如圖4所示。由于所設計的天線是雙向輻射，因而天線的兩側具有相反的極化特性。測量天線的增益如圖5所示，在1．55 GHz頻段為3．3～3．69 dB，在 2．55 GHz 頻段約為 3．12～3．81 dB。

圖5 天線增益Fig．5 Gain of the antenna

3 結 論

一種新型的雙頻段雙旋向圓極化共面波導饋電矩形縫隙天線被設計并進行實測。其結果顯示天線具有良好的圓極化性能以及較寬的軸比帶寬。實測的阻抗和軸比帶寬結果是，在 1．55 GHz 頻 段分別是 27．69%和 20．51%，在 2．55 GHz頻段分別是26．17%和13．44%。在兩頻段內可以獲得峰值增益分別為 3．69 dB 和 3．81 dB。 +z 方向， 天線在 1．55GHz 和2．55 GHz頻帶分別輻射RHCP和LHCP極化，其工作頻段可用于WLAN和GPS系統。

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[8]Sze J Y，Chang C C．Circularly polarized square slot antenna with a pair of inverted-L grounded strips[J]．IEEE Antennas and Wirel．Propag．Lett，2008，7:149－151．

[9]HFSS version 11．0[C]//Ansoft Software Inc．，2007．