一種雙頻雙圓極化共面波導(dǎo)饋電縫隙天線

趙文奇，韋 高

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，單一極化方式已難滿足要求，圓極化天線的應(yīng)用就變得愈加重要。因此，近年來對(duì)圓極化天線的研究越來越廣泛。其中，利用共面波導(dǎo)（CPW）饋電的縫隙天線已經(jīng)獲得了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，由于其良好的特性，如易加工，低剖面，寬帶寬以及容易實(shí)現(xiàn)與無源、有源器件在微波電路中的串并聯(lián)（不需要在基片上穿孔），容易提高電路密度等。實(shí)際上，已經(jīng)提出了多種類型的圓極化共面波導(dǎo)饋電縫隙天線[1－8]。例如通過在接地平面相連一個(gè)倒L型導(dǎo)帶[1]或兩個(gè)螺旋型導(dǎo)帶[2]來實(shí)現(xiàn)雙頻圓極化，或是包括導(dǎo)帶蝕刻天線[3]，雙單極子天線[4－6]，圓環(huán)縫隙天線[7]在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)圓極化性能。2008年，J．Y．Sze提出了添加一對(duì)倒L型接地帶的共面波導(dǎo)饋電縫隙天線[8]。文中，利用改進(jìn)的開口接地環(huán)形導(dǎo)帶以及添加水平短截線的結(jié)構(gòu)來使所設(shè)計(jì)天線實(shí)現(xiàn)雙頻雙旋向圓極化輻射。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)天線的性能，它可以應(yīng)用在GPS和WLAN系統(tǒng)上。

1 天線設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的天線采用厚度為1 mm的FR4介質(zhì)基板，相對(duì)介電常數(shù)為4．4，天線的結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)如圖1（a）所示。兩開口接地環(huán)形導(dǎo)帶相對(duì)放置，其水平短截線與信號(hào)帶相連。開口環(huán)形導(dǎo)帶影響所覆蓋的頻帶范圍，連接在信號(hào)帶上的水平短截線對(duì)于阻抗帶寬和軸比帶寬都有著重要的作用。所設(shè)計(jì)天線使用的信號(hào)帶不同于傳統(tǒng)的形式[1]，信號(hào)帶的寬度要寬于饋電帶，用來改善阻抗帶寬。開口環(huán)形導(dǎo)帶的兩條邊的長(zhǎng)度會(huì)影響雙頻的頻段，頂部右側(cè)的開口環(huán)形導(dǎo)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(shí)測(cè)結(jié)果分析

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

采用Ansoft公司的商業(yè)軟件HFSS[9]對(duì)天線進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真模型制作了天線實(shí)物，如圖1（b）所示。該天線的S11曲線如圖2（a）所示，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的一致性。從測(cè)量結(jié)果中可以看到，其小于－10 dB的S11曲線覆蓋兩個(gè)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)結(jié)果的差異主要是由加工誤差以及測(cè)試誤差引起的。

圖2 天線S11、軸比仿真與測(cè)試結(jié)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(shè)計(jì)天線分別在1．55 GHz和2．55 GHz處的00，450和900的電流分布?？梢杂^察到電流分布的變化趨勢(shì)是，在 1．55 GHz 是右旋的，在 2．55 GHz 處是左旋的，這與以下事實(shí)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(cè)試結(jié)果Fig．4 Measured radiation pattern of the antenna

1．55 GHz和2．55 GHz處方向圖的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由于所設(shè)計(jì)的天線是雙向輻射，因而天線的兩側(cè)具有相反的極化特性。測(cè)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(jié) 論

一種新型的雙頻段雙旋向圓極化共面波導(dǎo)饋電矩形縫隙天線被設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)測(cè)。其結(jié)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(shí)測(cè)的阻抗和軸比帶寬結(jié)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(nèi)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(tǒng)。

[1]Jou C F，Wu J W，Wang C J．Novel broadband monopole antennas with dual-band circular polarization[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2009，57（4）:1027－1034．

[2]Chen C，Yung E K N．Dual-band dual-sense circularlypolarized CPW-fed slot antenna with two spiral slots loaded[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2009，57（6）:1829－1833．

[3]Lin Y C，Hung K J．Compact ultra-wideband rectangular aperture antenna and band-notched designs[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2006，54（11）:3075－3081．

[4]Chen H D，Chen H T．A CPW-Fed dual-frequency monopole antenna[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2004，52（4）:978－982．

[5]Kim T H，Park D C．CPW－fed compact monopole antenna for dual-band WLAN applications[J]．Elect．Lett，2005，41（6）:291－293．

[6]Liu W C，Hsu C F．Dual-band CPW-fed Y-shaped monopole antenna for PCS/WLAN application[J]．Elect．Lett，2005，41（7）:390－391．

[7]Chen J S．Dual-frequency annular-ring slot antennas fed by CPW feed and microstrip line feed[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2005，53（1）:569－571．

[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．