一種雙頻雙圓極化微帶天線的設計

劉岳蘋，李 飛

（眉山職業技術學院，四川 眉山 210000）

微帶天線是一種常用的天線形式，通常是在微波介質板材上腐蝕出導體薄片，背部有金屬層作為導地接地板。當在導體薄片和接地板之間有激勵電場時，在接地板四周的縫隙中就會向外輻射電磁場[1]。微帶天線的饋電方式一般有同軸饋電、微帶饋電和耦合饋電等。微帶天線是一種平面型結構，很適合與各類平面載體集成安裝，也可將有源電路和微帶天線一體化設計，優勢更加明顯。

如何提高通信系統的通信容量，增強抗干擾能力，一直是通信領域不斷研究的方向。兩個圓極化電磁波實現極化復用，可避免電離層法拉第旋轉效應，并降低電磁波傳輸過程中的多徑效應[2]。圓極化波是由兩個等幅正交有90°相差的線極化波組成。左、右旋的圓極化波是互相隔離的，因此圓極化天線的旋向具備正交性。在電磁波傳播過程中，碰到對稱目標時，反射波就會變成相反的旋向[3]。

現代通信中，為提高通信效果，全雙工的通信方式已經普遍應用在各種通信領域。天線作為通信設備前端的重要組成部分，必然要能夠同時在收發兩個頻段工作。早期微帶天線只能在很窄的頻段上工作，支持收發兩個頻段比較困難。隨著技術的進步，寬帶、多頻段天線已經越來越多地應用在通信中。降低微帶天線的Q值、附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電和附加阻抗匹配網絡等都是拓展帶寬的措施。多模單片法、加載單片法、幾個貼片疊加在一起的多片法是實現微帶天線多頻段的常用手段。理論上，這些方法適合頻率間隔任意大的雙頻微帶天線[4]。

本文對一種雙頻雙圓極化微帶天線進行了仿真設計，詳細描述了天線的基本原理和結構形式，并在三維仿真軟件中進行了電磁場仿真。該天線采用單點饋電法[5]，在微帶貼片上附加簡并分離單元，使天線輻射圓極化波；兩個貼片疊層放置，分別工作在不同的頻段上，實現雙頻段。最終，天線可以同時輻射兩個圓極化波，并且旋向相反。天線的結構非常簡單，加工方便，成本低廉。

1 設計思想

微帶天線通過同軸單點饋電實現輻射圓極化波，是基于空腔模型的理論。利用簡并分離單元使天線的兩個簡并模同時工作，并且兩個簡并模極化正交，相位相差90°。此方法不需要任何外加的移相網絡和功率分配器就能實現圓極化輻射。圖1是圓形微帶圓極化天線的一種簡并分離單元。

圖1 圓形微帶圓極化天線的簡并分離單元

簡并分離單元和圓形微帶圓極化天線的無加載Q0相對值由簡化公式求得：

S是天線的面積，ΔS是簡并分離單元的面積。

當簡并分離單元ΔS加載在圓形微帶貼片以后，兩個被激勵起來的極化正交的簡并模的諧振頻率發生了分離，它們的極化正交且幅度相等的正交模，相位差為±90°。通過調節ΔS的尺寸，圓形微帶天線的工作頻率將工作在兩個簡并模的模中間，圓極化波就會被輻射出去。

如圖2所示，一大一小兩個微帶薄片疊加放置，下層貼片作為上層貼片的接地板，兩個薄片分別在諧振在不同的工作頻率。通過調節兩個微帶薄片的尺寸，可以是使微帶天線工作在需要的兩個頻段。這種疊層結構可以看作兩個并聯諧振電路，偏離諧振的單元所呈現的阻抗很小如同短路，諧振單元的工作幾乎不會受到非諧振單元的影響。

2 天線結構設計

圖2是雙頻雙圓極化天線的結構示意。天線分為一個在2 GHz工作的、比較大的圓形貼片和一個在2.2 GHz工作的、比較小的圓形貼片兩部分。兩個圓形貼片一大一小，上下兩層放置。上層的圓形貼片工作在2.2 GHz左右，半徑28.9 mm。下層圓形貼片工作在2 GHz左右，半徑32.7 mm。兩個貼片都在軸線上開兩個矩形縫隙（簡并分離單元），用來產生簡并模。2 GHz圓形貼片的矩形縫隙寬4.9 mm，長10.7 mm；2.2 GHz圓形貼片的矩形縫隙單元寬8.9 mm，長6.5 mm。

天線采用同軸導體直接饋電，50 Ω同軸接頭從導地地板向上穿過兩層微波基板，與下層圓形貼片和上層圓形貼片直接相連。Rogers5880，相對介電常數2.2，厚度1 mm作為微帶天線的介質基板。同軸線饋電點位置在下層貼片中心45°斜線上距離中心16.2 mm，上層貼片中心45°斜線上距離中心13.3 mm。

同軸線直接給微帶貼片饋電，帶寬較窄。本文在下層較大的微帶貼片的饋電點周圍，加載了一個圓環形的縫隙，同樣上層較小的微帶貼片的饋電點周圍也這樣處理。目的是為了擴展兩個工作頻段的帶寬。下層的圓環形縫隙內半徑5.5 mm，外半徑9.2 mm，上層的圓環形縫隙內半徑4.2 mm，外半徑5.1 mm。

圖2 雙頻雙圓極化微帶天線結構

3 仿真計算和分析

對雙頻雙圓極化微帶天線用三維電磁場仿真軟件仿真分析，天線的回波損耗如圖3所示。因為上、下一大一小兩個貼片的尺寸相差不大，所以2 GHz和2.2 GHz的兩個工作頻段有一部分重合在一起。回波損耗顯示該天線具有寬頻帶特性。

天線增益仿真曲線如圖4所示，工作頻帶內增益大于7.7 dBi，最大增益8.55 dBi，出現在2.1 GHz時。

圖5是天線軸比曲線，在2.0 GHz和2.2 GHz兩個工作頻點，軸比均小于2，當頻率逐步偏離工作頻段，軸比逐漸變化。在2.1 GHz時，天線輻射的電磁波已經可以看作線極化波。因此，天線只能在中心頻點2.0 GHz和2.2 GHz的兩個25 MHz的頻帶內工作在圓極化狀態。

圖3 微帶天線的回波損耗

圖4 微帶天線的增益-頻率的變化曲線

圖5 微帶天線的軸比-頻率變化曲線

根據天線輻射方向圖，2.0 GHz時天線增益為7.89 dBi，2.2 GHz時天線增益為7.74 dBi。圖6是2.0 GHz天線增益方向，圖7是2.2 GHz的天線增益方向。雙頻雙圓極化微帶天線的主輻射方向為0°，半功率波束寬度大于70°。最大增益點稍有偏斜，2.0 GHz最大增益有2°偏移，2.2 GHz最大增益有6°偏移。圖8—9是2.0 GHz和2.2 GHz的天線軸比方向圖，天線的寬角軸比性能非常好。

對比2.0 GHz時，天線輻射的左旋圓極化和右旋圓極化方向圖，可以看出是以左旋圓極化為主。同時2.2 GHz時，是以右旋圓極化為主。圖10是2.0 GHz左旋圓極化和右旋圓極化的方向圖對比，實線是左旋圓極化方向圖，虛線是右旋圓極化方向圖。圖11是2.2 GHz左旋圓極化和右旋圓極化對比方向。

圖6 2.0GHz天線輻射方向

圖7 2.2GHz天線輻射方向

圖8 2.0GHz天線軸比方向

圖9 2.2GHz天線軸比方向

圖10 2GHz的左（實線）、右（虛線）旋圓極化增益方向圖對比

圖11 2.2GHz左旋圓極化（實線）和右旋圓極化（虛線）方向圖對比

4 結語

本文設計了一款雙頻雙圓極化微帶天線，工作在2.0 GHz和2.2 GHz，每個頻帶的3 dB軸比帶寬25 MHz，分別輻射在左旋圓極化波和右旋圓極化波。通過三維電磁仿真軟件對天線進行了仿真分析，并給出了天線回波損耗、軸比、增益和方向圖的仿真結果。可以看出本文采用的雙層疊加的微帶貼片可以工作在兩個頻段。同軸饋電通過圓環縫隙的形式進行擴展帶寬是有效的。該天線結構簡單，加工方便、可靠性高、成本低廉和性能良好，具有良好的應用前景。