X頻段超寬帶雙線極化微帶天線的分析和設計

李昕桉 王巍 李慶浩

摘要：設計了一種具有較高口面利用率的寬頻帶雙線極化微帶天線。在輻射貼片上方增加寄生貼片單元并通過優化兩層貼片之間的距離實現寬頻帶；通過仿真優化改善了極化隔離度。仿真結果表明，該天線的駐波相對帶寬達到了18.4%（VSWR≤2），工作頻段范圍內增益大于8dBi，并具有20dB以上的端口隔離度。

關鍵詞：寬頻帶 微帶天線 雙線極化

中圖分類號：TN822 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0187-02

1 引言

隨著現代通信系統的飛速發展，通信設備不斷向寬頻帶、高頻段發展，對通信設備提出了越來越高的要求，推動了作為通信系統中的關鍵部件天線的寬帶化的發展。

在目前常用的展寬微帶天線帶寬的方法中，采用微帶寄生貼片天線是一種常用的結構。該天線在展寬天線帶寬的同時，具有結構穩定、剖面低、重量輕等特點，它十分適合作為陣列天線的天線單元使用。

本文設計了一種寬頻帶雙極化疊層微帶天線。在兩層貼片之間，利用聚四氟乙烯材料架高，以展寬帶寬，通過正交激勵方形貼片并結合饋電網絡，實現雙線極化的特性。該天線具有良好的增益及交叉極化特性。

2 天線模型及參數設計

2.1 天線單元結構

天線層疊結構如圖1所示。

該天線從上至下由介質層1、空氣層、介質層2、空氣層、介質層3組成，介質層1、2、3的厚度分別為t1、t2、t3。上層貼片印制在介質層1的底部，而下層貼片印制的介質層2 的頂部，介質層2是一個四層印制板，底部為饋電網絡，介質層3頂部為饋電網絡。兩貼片對應臨近的諧振頻率，從而形成了雙峰諧振特性，以獲得寬頻帶；該天線的貼片尺寸如圖2所示，陣列天線饋電網絡采用威爾金森功分器功分器對貼片兩個正交的場進行激勵，形成雙線極化。

2.2 參數設計

介質層都 選用介電常數為2.2、損耗正切較小的TLY-5介質，厚度t1=t3=0.254mm，t2=0.762mm。采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對圖2中天線進行優化設計，在仿真時考慮最終的結構實現，直接將支撐結構也考慮進去，其最終結構如圖1 所示。經過大量的仿真計算和優化后，最終選用的參數為：空氣層厚度h1=3.5mm、h2=11mm；上下層方形貼片的邊長L_top=12.25mm、L_sub= 12.75mm；同軸饋電點位置L1=L2=0.8mm、W1=W2=6.375mm。

3 天線的仿真分析

圖3給出了天線單元仿真駐波比曲線，該天線在7.17GHz至 8.64GHz頻率范圍內的1.47GHz帶寬VSWR<2，相對帶寬達到 18.7%。

圖4給出了天線單元的增益曲線，天線在8dBi 以上增益的帶寬為7.14GHz～8.7GHz范圍內，整個頻帶內，最大增益約為9dBi，出現在8.37GHz處。結合圖3和4，在7.17～8.6GHz范圍內VSWR<2、Gain>8dB，具有良好的阻抗匹配和增益性能。

圖5給出了天線單元仿真的增益方向圖，從圖中可以看出，該天線具有較高的增益和較好的定向性。

4 結語

本文提出了一種超寬帶雙線極化微帶天線。該天線采用耦合貼片方式，結果表明該天線能夠在頻率范圍7.17～8.64GHz內實現駐波比VSWR<2，在18.7%的相對帶寬內獲得了寬頻帶特性；端口之間隔離度達到20dB以上。天線的方向性較好、增益較高；同時，該天線結構簡單，易于加工制造。

參考文獻

[1]沈喜明，王玉峰，姚興利.基于雙層方形切角貼片的探針單饋寬帶圓極化微帶天線[J].測控與通信，2008，32（2）：10-13.

[2]S D Targonski and D M Pozar.Design of wideband circularly polarized aperture-coupled microstrip antennas [J].IEEE Trans.Antennas Propagat，1993，41（2）：214-219.

[3]高向軍，王光明，朱莉，等.寬帶圓極化微帶天線的設計[J].天線與伺服技術，2007，33（1）：33-36.