應用于C波段的寬帶圓極化微帶天線設計

胡文龍，姜弢

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

應用于C波段的寬帶圓極化微帶天線設計

胡文龍，姜弢

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

圓極化天線具有可接收任意極化電磁波的優點而被廣泛使用，為滿足通信需求，寬帶圓極化天線應運而生。通過對矩形貼片天線進行結構調整得到一種新型寬帶圓極化天線，使用電磁仿真軟件CST對此天線進行全波時域仿真分析。仿真結果表明，該天線工作頻段為3.8～8.1 GHz，在通帶內軸比參數AR＜3的帶寬為4～8 GHz，有效地拓寬了帶寬。

圓極化天線；寬帶；軸比；諧振枝節；表面電流分布

由于圓極化天線不僅可以接收任意極化電磁波，而且由圓極化發出的電磁波可以由任意極化天線接收，因而圓極化微帶天線的研究一直都受到專家學者們的關注。隨著無線通信技術的發展，微帶天線的帶寬成為了決定其應用范圍的一個主要因素，所以寬帶圓極化微帶天線的研究應運而生［1］。微帶圓極化天線通常可以按其饋電點的個數分為單饋電結構和雙饋電結構。雙饋電結構與單饋電結構相比，更加容易實現寬帶圓極化并且普遍帶寬高于單饋。但是饋電結構復雜會增加天線尺寸［2］。對于單饋寬帶微帶圓極化天線來說，通常可以采用在常規結構（正方形、長方形、三角形、圓形等）輻射貼片上切角［3-5］、開十字型槽［6］、開縫［7-9］和加諧振枝節［10-11］等方法來實現圓極化。除此之外，還有一些非常規圖形來實現圓極化，例如：平面雙螺旋、螺旋等。

文中提出一種新型的寬帶圓極化微帶天線，天線的阻抗帶寬（S＜－10 dB）為3.8～8.1 GHz，軸比帶寬（AR＜3 dB）為4～8 GHz。

1 天線結構與設計流程

文中所提出的超寬帶圓極化天線是在矩形貼片的基礎上進行了3次改進，使其從基礎模型天線1改進為天線4，天線的設計流程如圖1所示。

圖1 天線設計流程

主要設計思路是在滿足S參數的情況下盡可能地增大圓極化的帶寬。最終得到天線4的結構和參數如圖2所示。圖中：L＝16.28 mm，W＝45.12 mm，a＝68.84 mm，b＝33.5 mm，Lt＝2.79 mm，Cx＝3.8 mm，Cy＝2 mm，G＝0.93 mm，d＝10.7 mm，Wt＝3.72 mm，Wf＝2.325 mm，H＝0.7 mm.

圖2 天線結構

天線1的頂層貼片與底層貼片形狀尺寸完全相同，分別放置在長寬高為a、b、h，介電常數為2.2的介質基板上下兩側。矩形輻射貼片的長為L，寬為W。頂層輻射貼片的饋電位置在中心偏左側，饋電線的長和寬為Wf、Lf。天線2在天線1的基礎上進行改進：在矩形貼片上做一個等腰直角三角形的切角（等腰直角三角形的邊長為Cx）。天線3在天線2的矩形貼片的切角一側加一個矩形諧振枝節（長為Lt，寬為Wt）。根據天線4，在天線3的貼片上再切一個等腰直角三角形的切角（等腰直角三角形的邊長為Cy）。

2 仿真結果分析

文中采用時域有限積分算法的CST軟件對所設計的天線進行仿真，對天線1～4的S參數、增益、軸比參數、電流分布等進行分析比較。

2.1 S參數研究

天線1～4的S參數仿真結果如圖3所示。由圖3中天線1～4曲線可以看出，除天線2的改進以外，天線3和天線4的2次改進均使得天線的阻抗帶寬均有明顯提高。

圖3 天線1～4 S參數

2.2 增益

天線4在4、5、7、8 GHz這4個不同頻點處，φ＝0時，xoz平面上的左旋圓極化和右旋圓極化方向圖如圖4所示。主輻射方向均在為θ＝0、φ＝0或φ＝180°，而且交叉極化較小。所以取θ＝0、φ＝0為樣點，繪制整個頻帶的左旋圓極化和右旋圓極化增益曲線如圖5所示。可見每次天線結構的改變均使得天線的左旋圓極化增益有略微提高，右旋圓極化增益有略微減小，交叉極化降低。

圖4 當φ＝0時不同頻點方向圖

圖5 天線1～4增益曲線

2.3 軸比參數研究

天線1～4的軸比參數取天線最大輻射方向，θ＝0，φ＝0即天線的正上方的方向，仿真結果如圖6所示。由于圖6中天線1曲線滿足AR＜3的區域被分割為2個部分：3.4～4.6 GHz和7.4～9 GHz，但是滿足AR＜5的卻為3.2～9 GHz，所以如何將中間部分軸比大于3 dB的部分抑制到3 dB以下是本文的工作重點。天線2通過對矩形貼片切角有效的使用，使得圓極化的軸比帶寬受到了一些抑制，但是仍達不到設計要求。天線3通過加入矩形諧振枝節將中間不滿足AR＜3的部分大部分抑制到3 dB以下，但在這個過程中犧牲了一部分的圓極化帶寬。天線4的中間部分的軸比依然完全抑制到3 dB以下，雖然沒有使得軸比帶寬變寬，但是維持基本沒有變化。

圖6 天線1～4軸比曲線

2.4 天線的表面電流分布分析

圓極化波是由2個幅度相等、相位相差90°的線極化波產生的，天線表面電流的分布可以很直觀地反應天線上2個相互垂直的電流分量的分布情況。由圖7每次天線結構的改變都使得天線的表面電流發生變化，使得水平方向的電流與垂直方向的電流大致相等。

圖7 表面電流分布圖

2.5 測試結果和分析

實際制作后的天線如圖8所示。圖9給出的是天線4的S參數測試結果，天線在4～8 GHz滿足S參數小于－10 dB，實測曲線變化趨勢基本與仿真結果一致，但是在4.5～8 GHz損耗較大。圖10給出的是天線4的AR參數測試結果，軸比變化趨勢大致與仿真結果一致，但是在某些頻點出現跳變現象。

圖8 天線實物

圖9 天線4S參數實測結果與仿真結果對比

圖10 天線4軸比參數實測結果與仿真結果對比

3 結束語

在圓極化天線設計中，圓極化帶寬是一個十分重要的技術指標，通過在矩形貼片上切角和加入諧振枝節2種手段，很好地拓寬了圓極化的帶寬。并通過在饋線一側貼片上切角對S參數進行良好的控制。但是從測試結果來看，軸比參數在一些頻點大于3 dB，可嘗試通過加大切角，犧牲一部分軸比帶寬的寬度來更好地抑制突出頻點的軸比。

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Design of a circularly polarized microstrip antenna used in the C-band broadband

HU Wenlong，JIANG Tao
College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Circularly polarized antenna，which has advantages in receiving arbitrary polarization electromagnetic wave，is used widely.And the creation of broadband circularly polarized antenna meets the current communication demands.This paper introduces a novel broadband circularly polarized antenna by restructuring the rectangular patch antenna，and then applies CST，the electromagnetic simulation software，to do a full-wave and time-domain simulation analysis to this novel antenna.The simulation results show that the novel broadband circularly polarized antenna operates from 3.8 GHz to 8.1 GHz，and its band range within the passband axis ratio（AR）parameter AR＜3 is from 4 GHz to 8GHz.That is to say the band range is broaded effciently.

circularly polarized antenna；broadband；axial ratio；tuning stub；surface current distribution

TN821

A

1009-671X（2014）05-032-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201308013

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201308013.html

2013-08-05.

日期：2014-07-21.

國家自然科學基金資助項目（51209055）.

胡文龍（1989-），男，碩士研究生；

姜弢（1973-），男，教授，博士生導師.

胡文龍，E-mail：shenguimeshen＠163.com.