一種新型的低剖面雙極化天線

武警工程大學信息工程系　劉子豪　朱永忠　周　建

一種新型的低剖面雙極化天線

武警工程大學信息工程系劉子豪朱永忠周建

現代無線通信技術的迅速發展對雙極化天線提出了許多新的要求。該文基于兩個正方形輻射貼片，采用雙線饋電的方式實現了一款用于2.4G頻率的雙端口的雙極化天線，該天線的最大增益能達到11dB，并且兩個端口對應兩個極化方向是互相垂直。結果表明，本文提出的天線結構確實取得了很好的隔離。而且，該天線僅采用PEC作為設計材料，易于加工，低剖面，成本極低，對于商業應用是很有吸引力的。

低剖面；雙極化；矩形貼片天線

1　引言

現代的無線通信系統要求更高的傳輸速度和可靠性。其中一種有效的方法就是利用雙極化天線進行通信傳輸［1］。這種天線能夠以兩條不同且互不干擾的路徑來傳輸信息，從而實現頻譜復用。雙極化天線具有很強的抗干擾性。雙極化天線一般是由兩個端口來產生不同的極化方向。然而，要實現極化方式之間的高隔離度和低交叉極化是設計雙極化天線的瓶頸。如果雙極化天線兩個端口之間的隔離度達不到要求，從一個端口輸入的信號就有一部分會直接從另一個端口反射回來，這樣天線的效率就會變低，甚至導致天線不能使用［2］。

為了提高雙極化天線兩端口之間隔離度，目前已經有不少文獻提出了不同的方法。例如，采用不同的耦合饋電方式［3］：口徑耦合，探頭直接或耦合饋電，或者兩者的混合耦合饋電。在本文中，僅采用PEC材料進行設計，利用兩個不同的饋電方式來對兩個端口進行隔離，具有低成本、低剖面的優點。并且，從結果來看，此種隔離方法有良好的隔離特性。

2　天線的分析與設計

本文設計的天線主要以一塊矩形貼片作為地板，采用了兩個正方形貼片作為輻射源。為了使兩個饋電端口的極化方向不同，天線兩個采用了不同的饋電方式。兩個饋線連接在矩形貼片的兩條相鄰的邊上。并在饋線上使用了適當的彎折結構來使天線小型化。

圖1　雙極化天線的結構示意圖

如圖1所示，本文設計的天線主要采用了兩個矩形貼片。為了使兩個端口的輻射頻率一致，把矩形兩邊長設為等長。并且，為了使在同一端口饋電下兩輻射源的極化方向一樣，端口1的饋線采用對稱的彎折結構，而用端口2饋電時，其中一個饋線增加了“C”型饋線，目的是使得電波多旋轉了180°，與另一個輻射源的極化方向一致。因此，在水平極化下，兩者的饋電方式是一樣的；而在垂直極化時，下方的饋電方式多旋轉了180°。中間是空氣介質。為了縮減天線的尺寸，在貼片正中央加入了短路針，各尺寸如表1所示。兩個端口均采用50Ω作為輸入阻抗。兩層PEC材料厚度均為1mm。

表1　雙極化天線的結構參數（單位：mm）

圖2所示是兩個端口的回波損耗和兩個端口之間的隔離度。由圖可以看出，端口1的阻抗帶寬為2.41-2.63G，端口2的阻抗帶寬為2.45-2.55G，在帶寬范圍內兩個端口之間的隔離度小于-30dB。圖5、6分別是端口1、2在中心頻率2.5G仿真和實測的方向圖。由此圖也可以看出，實測的數據進一步驗證的該模型的可用性。

圖2　兩端口的回波損耗和之間的隔離度的仿真和實測圖

3　結束語

本文設計并制作了一款應用于2.5G頻率的雙極化天線，輻射單元采用了矩形貼片，整體制作只采用了PEC材料，成本極低，容易實現大規模生產，最高增益達到了11dB。實測與仿真的結果大致吻合，說明了這種天線設計合理，具有較高的商業應用價值。

［1］王紅星，劉錫國，劉敏.一種新型低剖面、雙頻、雙極化寬頻帶陣列天線的研究與設計［J］.微波學報，2006，06：40-44.

［2］梁仙靈，鐘順時，汪偉.高隔離度雙極化微帶貼片天線的設計［J］.電波科學學報，2006，05：731-734+755.

［3］Deng Changjiang，Li Yue，Zhang Zhijun，Feng Zhenghe.A Wideband High-Isolated Dual-Polarized Patch Antenna Using Two Different Balun Feedings［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：1617-1619.