圓極化微帶天線發展現狀研究

武警工程大學研究生大隊 孟志豪 張懌成

本文綜述了圓極化微帶天線的發展現狀，對圓極化微帶天線的原理、實現方法、改進方法進行了歸納，并分別舉了具有一定代表性的例子，最后對圓極化微帶天線的發展趨勢進行了總結。

引言：天線是發射和接收電磁波的部件，改善天線的綜合性能，對于優化整個移動通信系統有著重要意義，圓極化微帶天線由于其尺寸小、可抗多徑干擾等優良特性而被人們青睞，特別是在無線通信系統中有著很高的應用價值。因此，設計出外部尺寸小型化、輻射特性寬帶化的新型圓極化微帶天線一直是研究的熱點，具有很高的研究價值。

1.圓極化微帶天線原理

圓極化微帶天線是一種可以發射圓極化波的微帶天線，由于圓極化波的特性，圓極化微帶天線的相對位置可以自由變化，極化匹配的實現更加容易，還可以可以有效抑制多徑干擾。所以圓極化天線可以很好地保證通信的暢通，被廣泛應用于移動通信系統當中。其主要性能指標包括：（1）輸入阻抗帶寬，一般用駐波比（回波損耗）來定義，反映天線與饋線的匹配效果，一般將滿足駐波比小于1.5的頻率范圍定義為阻抗帶寬。（2）軸比帶寬，是橢圓極化波長軸與短軸之間的比值，一般將滿足軸比低于3db的頻率范圍定義為軸比帶寬。（3）增益帶寬，增益是天線在某一點場強平方的歸一化值，軸比帶寬是將滿足增益高于某一特定值的頻率范圍定義為增益帶寬。

2.圓極化微帶天線的實現

圓極化微帶天線常見的實現形式包括單饋點法、多饋點法、圓極化天線陣（吳建軍.M合饋電寬帶圓極化天線及其陣列技術研究[D].西安電子科技大學,2016）

2.1 單饋點法

單饋點法是在原先具有規則形狀的輻射貼片基礎上，利用簡并模分離單元產生兩個等幅正交的簡并模,從而產生圓極化波。具體實現方法是引入幾何微擾，如圖1所示就是在原先相對規則的正方形貼片基礎上切去一對三角形切角，圖2所示就是在原先圓形貼片的基礎上切去了一對正方形切角，該方法難點是要先確定合適的簡并模分離單元的幾何參數，還要確定一個很好的饋點的位置。其優點是結構簡單，成本低，缺點是帶寬很窄，相對帶寬可能只有大約2%。

圖1

圖2

2.2 多饋點法

多饋點法是指利用饋電網絡產生兩個兩個等幅正交的輸入電流，使得天線激勵起等幅正交的模，常見的饋電網絡有T形分支結構、Wilkinson功分器，該方法的難點是饋線網絡的設計。其優點是增加天線帶寬，缺點是饋電網絡的設計比較復雜，天線體積較大。如圖3所示，裴贏洲（裴贏洲.一種新型圓極化RFID閱讀器天線的設計[J].電子科技大學物理電子學院）就提出了一個新型圓極化RFID閱讀器天線，該天線就是通過中間的同軸線進行饋電，在利用Wilkinson功分器將能量均分為二，上方饋線長度比下方饋線長度要大四分之一個介質波長，兩根饋線分別在左側和下面給外圈的矩形方環饋電，如圖4所示在某時刻的電流瞬時分布，可以看到：矩形方環上下部分電流呈現水平分布，左右部分呈現豎直分布，也就說明已經形成了兩個空間上相互正交的線極化電場，可以產生圓極化波。

圖3

圖4

2.3 圓極化天線陣

圓極化天線陣，就是使用功分組合電路，同時對兩個或者多個輻射單元進行饋電，從而使多個輻射單元的能量在空間中疊加，進而改善整個天線的圓極化性能，比如，天線的增益得到大幅提高，軸比帶寬得到展寬，但是由于天線單元的數目增加，天線整體尺寸也不可避免地增大。如圖5所示，Rahman（Rahman,A Circular Polarization Microstrip Array Antenna With Orthogonal Series-Parallel Feed Network[J].International Journal of Microwave and Wireless Technologies,2018,MRFRP-18-056,1-7）就提出了一種由兩個圓極化天線單元組成的圓極化天線陣列，通過介質基板底部的微帶線和縫隙構成三端口功分器，將能量平均分配到四個貼片輸入端口，兩個完全相同的圓極化輻射單元所輻射的圓極化波在空間中相互疊加，從而提高了整體增益，軸比帶寬也得到增加，如圖6所示，截取了四個瞬時時刻天線輻射單元的電流分布圖，可以看到，兩個輻射貼片呈現完全相同正交電流分布。

圖5

圖6

3.增加圓極化微帶天線帶寬的方法

微帶天線雖然有著眾多的優點，但是有著一個顯著的缺點，那就是帶寬一般都比較窄，尤其是像上面提到的單饋點圓極化天線，雖然天線尺寸可以做的很小，但是其相對帶寬往往很窄，因此，要對天線進行帶寬展寬，才能夠使天線更具有實用價值。常見的方法有：加載寄生單元、改良饋電結構。

3.1 加載寄生單元

加載寄生單元是指在原先天線的基礎上，另外新增一個或者多個貼片，調節寄生單元的尺寸大小和相對位置，從而實現增大帶寬的目的。如圖7所示，RongLin Li（RongLin Li,A Novel Broadband Circularly Polarized Antenna Based on Off-Center-Fed Dipoles[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2015,12,5296-5299）提出了一種基于偏心饋電電磁偶極子微帶圓極化天線，該天線是利用一個T形微帶線和共面微帶線作為饋電結構，同時對一組關于中心對稱偶極子輻射貼片進行饋電，為減小天線尺寸，對兩個偶極子都進行一定的彎折，形成了空間上相互正交的水平部分和豎直部分，同時為了展寬天線帶寬，在水平部分下面加了寄生單元，從而彌補了原先天線在高頻部分軸比大于3db的不足，也就優化了天線輻射特性，如圖8所示。

圖7

圖8

3.2 改良饋電結構

饋電結構對圓極化微帶天線輻射特性有著重要的影響，如圖9所示，分支線耦合器是一種常用的四端口功分器件，在端口1輸入電流，可以使端口2和端口3之間產生等幅正交的輸出電流，常常用于雙饋點圓極化天線饋電網絡，但是器件尺寸較大，因此楊秀慧（楊秀慧.基于小型化分支線耦合器的UHF RFID雙圓極化天線設計[J].西南交通大學）提出了一種改進的新型分支線耦合器，如圖10所示，其原理是在原來的基礎上，通過在矩形環內加載4個貼片電容的方式，減小整個耦合器的尺寸，使得新型分支線耦合器可被用于更高頻的圓極化天線。

圖9

圖10

4.總結與展望

隨著無線通信的飛速發展，人們迫切需要體積小、性能好的天線，因此，圓極化天線的寬帶化、小型化是必然的總趨勢。但是總的來看，很多方案都有各自的欠缺，想要實用化、量產化還需要更進一步的努力，往往在實現天線寬帶化和小型化之間會存在一定的矛盾，比如在天線帶 寬過大時，其增益會比較小，又或者天線輻射特性很好但是結構復雜，難以加工制作，因此要根據實際需求，在天線的各項性能中進行一定的取舍，尋求一個可以接受的平衡點。