一種微帶線饋電的寬帶圓極化微帶天線的設計

摘 要： 提出一種微帶線饋電的寬帶圓極化微帶天線，它由微帶饋線、輻射貼片和FR4介質板組成，在輻射貼片的矩形槽對角添加兩個環形結構，實現了微帶天線圓極化的要求，通過調整微帶饋線的尺寸，有效改善了天線的軸比帶寬。該天線單元的軸比帶寬達到了43.8%（2.5～3.9 GHz）。

關鍵詞： 寬帶； 圓極化； 微帶線饋電； 微帶天線

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0067?04

Abstract： The broadband circularly polarized microstrip antenna with microstrip feeding is presented， which consists of microstrip feeder， radiation patch and FR4 dielectric?slab. The requirements of microstrip antenna circularly polarized are realized by adding two annular slots which are located at the two opposite angles of rectangular slot on radiation patch. The axial?ratio bandwidth of the antenna is improved effectively by adjusting the size of microstrip feeder. The axial?ratio bandwidth can reach 43.8%（2.5～3.9 GHz）.

Keywords： broadband； circularly polarized； microstrip feeding； microstrip antenna

0 引 言

現代無線通信系統對天線的性能要求越來越高，單純線極化天線已無法滿足要求，因此圓極化天線的應用越來越廣泛。由于圓極化微帶天線具有剖面薄、重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優點，已經被廣泛應用于衛星通信、導航等領域。然而，傳統的圓極化微帶天線，圓極化帶寬較窄，為了提高天線的圓極化帶寬，已有研究分別運用了多種方法來實現。文獻[1?2]采用了多點饋電的方式，在文獻[1]中采用了Wilkinson功分器，圓極化軸比帶寬能達到20%，但額外附加功分器，必須精心設計饋電網絡以保證圓極化性能，這就增加了制作成本；在文獻[2]中，采用了寄生貼片的方式，實現的軸比帶寬約為45%，但這樣的結構或多或少的損害了微帶天線剖面薄的特點。文獻[3?5]采用了口徑耦合的方式進行饋電，由于其輻射部分與饋電部分被接地板隔開，饋線的寄生輻射弱；因此天線的交叉極化電平低，但是當增加基片厚度展寬頻帶時，要加大槽的尺寸以獲得阻抗帶寬，這將導致后向輻射電平升高。文獻[6?8]采用了微帶線饋電的方式，但是所實現的軸比帶寬都達不到本文提到的天線。

本文提出一種利用梯形微帶線饋電的微帶縫隙天線，采用仿真軟件分析該天線的阻抗帶寬、圓極化軸比帶寬、輻射方向圖及增益特性，并分析了天線結構中一些參數對天線軸比帶寬性能的影響。

1 天線結構

天線結構如圖1所示。天線主要由兩部分組成：在矩形槽對角添加兩個環形結構的輻射貼片，中心的圓形輻射貼片；類似梯形的微帶饋線。輻射貼片和微帶饋線分別印制在[h=0.8]mm的FR4基板兩面，基板相對介電常數為4.4，整體尺寸為45 mm×45 mm×0.8 mm，天線饋電采用50 Ω的微帶饋線。在輻射貼片矩形槽的對角添加兩個環形結構，可以激勵起兩個幅度相等、相位相差[90°]的線極化波，從而實現圓極化。優化后的各個參數值分別為： [h=0.8 mm，][G=45 mm，][M=36 mm，][R1=9 mm，][R2=10.3 mm，][R3=6 mm，][W1=1.5 mm，][W2=][15 mm，][W3=26 mm，][W4=2.75 mm，][L1=5.5 mm，][L2=8 mm，][L3=][2 mm。]

2 天線性能分析

各個設計參數對天線的性能影響不同。為了詳細研究天線中各個參數變化對天線性能的影響，并得到最佳的阻抗帶寬和軸比帶寬，需要對天線各個參數進行詳細的仿真分析。這里分別討論了兩個環形結構和微帶饋線的尺寸對天線性能的影響，分析某一個參數的影響時，其他參數保持不變。

2.1 參數分析

下面主要通過仿真分析[R1，][R2，][W3]等參數對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響，如圖2～圖4所示。

在圖2中，從[S11]曲線圖中可以看出，隨著[R1]的增大，天線的諧振頻率往低偏，反之減小則往高偏；而天線的軸比帶寬隨[R1]的變化較大，當[R1=]9 mm時效果比較好。

從圖3中可以看出，[R2]的變化影響到阻抗帶寬的整個頻段，隨著[R2]的增大，高頻段的回波損耗明顯減小；但是[R2=]10.8 mm的軸比帶寬明顯比[R2=]10.3 mm的要窄，所以取[R2=]10.3 mm。

從圖4中可以看出，[W3]的變化對阻抗帶寬的影響比較小，而[W3]對軸比影響較大，隨著[W3]的減小，在低頻段的軸比效果變得越來越差。

圖5為優化后天線的回波損耗和軸比的曲線圖。其10 dB回波損耗帶寬為66.9%（2.12～4.25 GHz），3 dB軸比帶寬為61%（2.12～3.98 GHz）。

2.2 天線性能測試

為了驗證該天線結構的可行性和仿真計算結果的正確性，制作了天線實物模型進行測試。圖6為天線[S11]的仿真和實測的結果對比，曲線變化趨勢吻合較好，并且[S11<-10 dB]的帶寬保持一致。圖7為天線軸比的仿真和實測的結果對比。可以看到實測的結果與仿真的結果有一定的出入，原因可能有：天線在加工制作過程中粗糙的焊接以及在微波暗室的安裝過程和周圍環境，這些都可能對天線軸比測試產生誤差。

2.3 輻射方向圖與增益

圖8和圖9分別是天線在2.5 GHz和3.5 GHz兩個頻點上的[xOz]平面和[yOz]平面的輻射方向圖。可以看出，在2.5 GHz時方向圖較好且交叉極化比較小，但是在3.5 GHz時的方向圖較差。

圖10是天線的增益曲線圖，可知該天線在頻段內最小增益為2.6 dB，最大增益達到4 dB，平均增益為3.5～3.7 dB。

3 結 論

本文給出的微帶線饋電的寬帶圓極化微帶天線，結構形式簡單，通過在對角添加兩個環形結構，使得天線的軸比在較寬的頻率范圍內都能滿足要求。在經過詳細的結構參數分析與研究之后，將天線印刷在FR4介質板上，并進行了性能測試。最終實現的結果，3 dB軸比帶寬達到43.8%，有比較理想的阻抗帶寬，而且在頻段內的輻射方向圖也比較理想，平均增益為3.5～3.7 dB。該天線結構簡單、體積小、成本低、加工方便，可廣泛地應用于衛星通信及其他領域。

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