圓極化貼片天線的研究與設計

吳蔓蔓

摘 要：微帶貼片天線體積小、重量輕、饋電方式靈活、成本低、易于與目標共形等優點而深受人們親睞，在雷達、移動通信、衛星通信、全球衛星定位系統（GPS）等領域得到廣泛的應用。同時，圓極化作為微帶天線理論和技術應用的一個重要分支，被廣泛的運用，由于其極化特性，使得收發天線間有很強的角度位置定位靈活性，并且能減小信號的多路徑干擾等影響。

本文在研究微帶天線的現狀和原理的基礎上，設計了一個工作頻段在902-928MHz的M型探針饋電的圓極化微帶天線，其主要設計指標：中心頻率915MHz，增益8dB，波束寬度90°，前后比大于13dB，駐波比小于1.4，輸入阻抗50歐姆。設計期間，利用Ansoft HFSS軟件創建了一個M型探針饋電的圓極化微帶天線模型，通過仿真，其增益、前后比、波束寬度、駐波比等主要性能參數達到了預期指標。本文還介紹了微帶天線的饋電方式以及天線圓極化的原理及實現方法。

關鍵詞：微帶貼片天線；M型探針饋電；圓極化；HFSS仿真

1.微帶天線的研究背景與意義

微帶天線的發展正方興未艾，應用前景非常廣闊。由于應用的需要，微帶天線在許多方面還將得到進一步的發展，如天線介質材料的更新，天線的多極化技術，分形技術，光子帶隙技術以及計算機輔助設計技術和計算機輔助制造技術等。隨著技術的發展以及人們對微帶天線的深入研究和探討，微帶天線將會得到更為廣泛的應用。

2.微帶天線的介紹

微帶天線由一塊厚度遠小于波長的介質板（稱為介質基片）和覆蓋在它兩面上的金屬片構成的，其中完全覆蓋介質板的一片稱為接地板，而尺寸可以和波長相比擬的另一片稱為輻射源，輻射源的形狀可以是方形、矩形、圓形和橢圓形等等。微帶天線主要的特點有：體積小，質量輕，低剖面，因此容易做到與高速飛行器共形，且電性能多樣化（如雙頻微帶天線、圓極化天線等），尤其是容易和有源器件、微波電路集成為統一組件，因而適合大規模生產。在現代通信中，微帶天線廣泛的應用于100MHz～50GHz 的頻率范圍。 對于介質層較厚的微帶天線采用探針饋電，由于探針較長，導致天線輸入阻抗的電感性增強，影響天線的帶寬。饋電點可選在貼片內任何位置且避免了對天線輻射的影響。M型探針實際上是對L型探針的改進，它進一步展寬了帶寬，其輻射機理與L型探針基本一樣。當電流經過M型探針時，在M型探針的垂直部分上產生的電場出現兩個同向一個反向的電場分布，其中一正一反兩部分電場相抵消，探針上剩余一個方向的電場，從而使貼片達到高效輻射，而在探針前后方向上干擾減小，有利于組成陣列天線。

微帶天線的輻射是由微帶天線導體邊沿和地板之間的邊緣場產生的。Lewin對微帶的不連續性的輻射首次作了研究，他的分析是基于導體中流動的電流進行的。這個方法也可以用來計算輻射對于微帶諧振器品質因數的影響。這個分析是以微帶開路端和地板所構成的口徑場為基礎。按此分析，輻射對于品質因數的影響可描述為諧振器尺寸、工作頻率、相對介電常數及基片厚度的函數。理論和實驗結果表明，在高頻時，輻射損耗遠大于導體和介質的損耗。還證明，在用厚的而介電常數低的基片時，開路微帶線的輻射更強。

圓極化天線在無線電領域中有重要作用。特別在航天飛行器中，由于飛行器位置姿態的固定，它們的通訊測控設備都要求是共形的、重量輕、體積小而且成本低的圓極化天線。圓極化微帶天線就是能滿足這些要求的比較理想的天線。

微帶天線具有便于實現圓極化的特點，已發展了許多種實現方式：

（1）利用微擾手段的單饋電點法，如準方形貼片、帶對角槽或切角的方貼片、有缺口的圓貼片、橢圓貼片、五邊形貼片、三角形貼片、方形環和交叉貼片等。

（2）雙或四饋電點法，即用幅度相等、相移90度的雙饋源饋電，或用相位分別為0度、90度、180度和270度的四饋源饋電，以展寬頻帶。

（3）利用多個線計劃單元的組合。已有二元組合、2*2元組合的N元相位累加組合等多種。一個2*2元實驗模型采用厚2.54cm的蜂房基片，測得800MHz到900MHz頻帶上軸比不低于0.6db。

（4）利用微帶彎曲、折角等構成的行波串饋陣列。如城墻線陣等。

輻射或接受圓極化的天線稱為圓極化天線，圓極化波具有以下重要性質：

1.圓極化是一個等輻的瞬時旋轉場。即，沿其傳播方向看去波的瞬時電場矢量的端點軌跡是一個圓。若瞬時電場矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉，稱之為左旋圓極化波，沿其傳播方向按右手螺旋旋轉，稱之為右旋圓極化波。

2.一個圓極化波可以分解為兩個在空間和在時間上均正交的等幅的極化波。由此，實現圓極化天線的基本原理就是：產生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等，振幅相差90。

3.任意極化波可分解為兩個旋向相反的圓極化波。作為特例，一個線極化波可分解為兩個旋向相反，振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來波都可由圓極化天線收到，反之，圓極化天線輻射的圓極化波也可由任意極化的天線收到。這正是電子偵察和干擾等應用中普遍采用圓極化波工作的原因。

4.天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不能接收右旋圓極化波，反之，若天線輻射有旋圓極化波，則接收右旋圓極化波，這稱為圓極化天線的旋向正交性，其實，這一性質就是發射和接收天線之間的互易定理。在通信和雷達的極化分集工作和電子對抗等應用中廣泛利用這個性質。例如，國際通信衛星V號上的4GHz多波束發射天線輻射有旋圓極化波，形成兩個東、西“半球波束”同時也輻射左旋圓極化波，形成兩個輻射不同地區的“波束區域”，這四個波束都工作于4GHz頻段互不干擾，從而實現四重頻譜復用，增加了通信容量。

5.圓極化波入射到對稱目標（如平面，球面等）時，反射波變為反旋向的，即左旋波變右旋，右旋波變左旋。 微帶天線的優點之一是便于實現圓極化工作，實現圓極化工作可采用單片法或多片法，單片法又分單點饋電法和多點饋電法。

3.天線的設計與仿真

3.1 天線的設計指標

中心頻率：915MHz

工作頻段：902MHz～928MHz

輸入阻抗：50Ω

增益：≧8dB

前 后 比：≧13dB

3.2 天線參數的計算

設計微帶天線的第一步是選擇合適的介質基片，假設介質的介電常數為 ，對于工作頻率f的矩形微帶天線，可以用下式設計出高效率輻射貼片的寬度W，即為：

（3-1）

式中，c是光速。

輻射貼片的長度一般取為 ；這里 是介質內的導波波長，即為：

（3-2）

輻射單元長度L應為：

（3-3）

式中 是有效介電常數，ΔL是等效輻射縫隙長度。它們可以分別用下式計算，即為：

（3-4）

（3-5）

用HFSS設計中心頻率為915MHz的矩形微帶天線，若微帶天線的介質基片厚度為2.5mm，所以厚度h=2.5mm，介質的介電常數 =6.5。

由式（3-1）、式（3-3）、式（3-4）和式（3-5）可以計算求得天線輻射貼片的寬度和長度，以及有效介電常數和等效縫隙寬度，分別如下：

輻射貼片的寬度：W=114.7mm

輻射貼片的長度：L=126.9mm

有效介電常數： =6.72

等效縫隙寬度： =1.1mm

另有經驗數值得出：

h1=h2=h=18mm；

g1=g2=g=3.5mm；

探針的寬度 =0.2mm；

底板與貼片距離H=32.5mm；

圓極化切角尺寸：d1=41mm（寬度方向）；d2=46mm（長度方向）。

所要設計的天線的工作頻段是902-928MHz，可以計算出中心頻率為 f0=915MHz，進而得到 328mm。以某公司的該產品的外形尺寸為參考，確定了底板的尺寸250mm×250mm，天線的總高度限制在50mm以下。在此基礎上，設計L和M探針饋電的RFID圓極化天線，包括L型探針一點饋電的RFID圓極化天線、M型探針一點饋電的RFID圓極化天線和雙L型探針正交饋電的RFID圓極化天線。預期指標如下：增益為8dBi，波束寬度為 （ 為符合條件），前后比大于13dB，駐波比小于1.4。

3.3微帶貼片天線的結構設計

天線結構：M型探針饋電的寬頻帶長矩形貼片的幾何結構如圖3.1和圖3.2所示。以天線的中心頻率為 =915MHz（ =328mm），對天線的參數進行了仔細的研究之后確定了天線的尺寸，貼片是一個的長度為L=126.9mm（0.37 ），寬W=114.7mm （0.43 ），厚度為1mm的鋁板，被放置在距底板 =32.5mm（0.1 ）高的地方，底板與貼片之間的介質為空氣，其介電常數認為是 。M型探針是用厚度為 ，寬為

的銅帶折疊而成的，它包含兩個水平部分和三個垂直部分，垂直部分的值由g1和g2決定，水平部分的值由h1和 h2決定；經實驗得到=g=3.5mm

（0.01 ）， =h=18mm（0.06 ），M型探針一端連接50歐姆激勵源，另一端連接到貼片上，連接的位置由s1和s2決定。天線的底板是厚度為2mm的鋁板，長寬由GL和GW決定

3.4 運用HFSS軟件作圖與仿真

Ansoft HFSS是Ansoft公司推出的基于電磁場有限元方法（FEM）的分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件，Ansoft HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩定成熟的自適應網格剖分技術，使其成為高頻結構設計的首選工具和行業標準，并已廣泛應用于航空、航天、電子、半導體、計算機、通信等多個領域，幫助工程師們高效的設計了各種高頻結構。

（1） 創建介質基板

創建一個長方體模型用以表示介質基板，模型的底面位于xoy面上，厚2.5毫米，長250毫米，寬250毫米。用Draw-box命令創建長方體，新建的長方體添加到操作歷史樹Solids節點下，默認名為Box1，將其命名為Substrate，設置其材料為FR4_epoxy，設置透明度為0.4。

（2）創建輻射貼片

在介質基板上方高32.5mm處，創建長為L1，寬為W1，厚0.2mm的長方體，將其命名為Patch，設置顏色為銅黃色，透明度為0.2，材料為pec。

（3）創建地面

在介質基板的底面創建一個矩形面，大小與介質底板底面相同，將其命名為GND。

（4）創建M型探針

創建圓柱體做M型探針，探針由五個圓柱體拼接而成，從主菜單中選擇Draw-Cylider命令，進入創建圓柱體的狀態，在三維模型下創建一個任意大小的圓柱體，雙擊操作歷史樹Solid節點下的Cylinder選項，打開新建的圓柱體屬性對話框選項卡，把圓柱的材料設為PEC，圓柱體的半徑設為為0.1mm。

（5）創建饋電端口

要在介質底板上開一個半徑為0.2mm的圓柱形端口作為饋電端口，首先要在底板上做一個圓柱體鑲嵌在底板內部高2.5mm，半徑為0.2mm，底面圓心坐標為（L0，W0，0），然后依次選中介質底板與剛創建的圓柱體，執行相減操作，從主菜單欄中選擇Modeler-Boolean-Substrate命令，打開如圖所示的sudstrate對話框，單擊OK，完成相減操作，即可從介質底板上挖掉一個圓柱體作為饋電端口。

在地面畫一個圓面，選中該圓面即可添加激勵源。選中該圓面然后單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Assign Excitation-Lumped Port命令，打開集總端口設置對話框，在該對話框中設置輸入阻抗50歐，并在圓面上做出積分線。

HFSS仿真圖如下所示：

3.5 天線性能結果分析

仿真完成后，在優化處理后能得到各項參數的分析結果，來看一下天線的性能參數。通過調整天線貼片的尺寸，可知當Lc=95mm時，天線的諧振頻率在915MHz左右，

4.總結與展望

本文在對微帶天線的概念性能、結構模型、饋電技術、圓極化技術等各個方面進行深入探討的基礎上，設計了結構簡單的M型探針饋電900M圓極化微帶貼片天線。針對微帶天線頻帶窄的特點，采用了M型探針饋電技術實現天線的諧振；采用不同饋電點技術在微帶天線單元中調整了天線的輸入阻抗及駐波比；采用輻射貼片的準方形技術實現了天線的圓極化并優化了軸比。本文設計的線陣結構簡單，成本低，易調試。希望今后在革新的基礎上設計出性能更好，結構更簡單更新穎的微帶天線來。

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