一種寬帶圓極化數字型縫隙天線的設計

傅強之

摘要：本文設計了一種新型的微帶共面波導饋電的圓極化平面縫隙天線。此天線由寬的數字“0”型縫隙、共面波導饋線和微帶饋電網絡組成，前兩者都是在介質板上表面的金屬上開縫完成，后者則在介質板的另一面布線完成。通過合理的設計微帶饋電網絡給共面波導饋電 ，可以在其上產生一個奇數模和一個偶數模，同時完成兩個模式的90°相位差。通過此微帶與共面波導之間的轉換電路給縫隙天線饋電從而實現寬帶圓極化天線。詳細研究了圓極化天線的機理和各個參數對它的影響。通過仿真驗證3dB軸比帶寬可以達到29%，-10dB反射系數帶寬為53%。

關鍵詞：縫隙天線;圓極化天線;寬帶

中圖分類號：TN927.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0163-03

0 引言

圓極化天線由于其在發射和接收電磁波時能夠避免極化損失和縮減多路徑效應而被廣泛應用于各種通信系統中。圓極化的電磁波是由兩個正交的等幅以及相位差90°的電場矢量共同激勵形成，而平面傳輸線的相位對于工作頻率非常敏感，所以設計寬帶圓極化天線的一個的難點在于如何在一個寬帶的范圍內保證傳輸線輸出兩個相等以及相位差90°的矢量信號。

根據現有文獻的結果，有很多貼片的圓極化天線實現方法被提出。微擾技術是普遍被使用的一種方法，例如支節加載法、切角法、在貼片上加載縫隙和多種饋電耦合等，但是這種方法所產生的圓極化天線3dB軸比帶寬比較窄。為了提高圓極化天線的工作帶寬，有些文獻提出了多介質輻射層。例如帶有兩個空氣層和三個介質層的縫隙耦合正方形貼片天線能夠獲得相對9%的3dB軸比帶寬[1];帶有兩個空氣介質層，3dB軸比帶寬達到19%的H形狀貼片天線[2];擁有厚的空氣層和階梯T形饋電的正方形貼片天線，3dB軸比帶寬達到30%[3]。但是，這類天線的橫截面都比較高，而且結構相對來說比較復雜。

通過共面波導給只有一層介質板的縫隙平面天線饋電，也是一種被廣泛研究的方法。例如通過L型帶狀線給正方形縫隙天線饋電，帶狀線被放置在正方形的兩個對角線上，此天線可以獲得17%的3dB軸比帶寬[4]。還有通過共面波導給內部兩個金屬環饋電的正方形縫隙天線，其3dB軸比帶寬可以達到17.2%[5]。還有一種采用共面波導給一個正方形縫隙天線饋電從而產生一個雙極化的天線[6]。

本文提出了一種新型微帶共面波導饋電的平面縫隙天線，此天線具有寬帶和圓極化輻射的特點。文中設計了微帶到共面波導的轉換，實現了共面波導奇數模和偶數模之間的90°相位差。通過這些奇數模和偶數模給一個矩形縫隙天線饋電，可以在一個寬的帶寬內實現天線的圓極化輻射。這個圓極花天線結構簡單，易于加工實現，成本低。

1 天線結構和設計

圖1為天線結構圖。矩形縫隙的長度和寬度為Ls和Ws，作為輻射窗口被蝕刻在輻射板的上表面。有一個共面波導的金屬帶一直申到縫隙天線的內部，給矩形縫隙饋電。天線的另外一面被這微帶饋電網絡給占據，微帶網絡由兩個分支組成。左邊的分支被稱為微帶轉共面波導分支，它可以在共面波導縫隙里面產生偶數模，這種偶數模能夠激勵矩形縫隙，產生水平極化的電磁波。而另外一個分支橫穿過共面波導的縫隙，在其里面產生一個奇數模，能夠激勵矩形縫隙產生垂直極化的電磁波。通過合理的優化兩個分支的距離和匹配，從而使兩個正交極化的信號同時具有相同幅度和90°相位差，進而實現得圓極化的輻射特性。

整個天線的諧振頻率由Ls和Ws的尺寸決定，B1和B2能夠控制兩個模式的相位差，而通過調節L1和L2的尺寸能夠影響兩個分支的阻抗匹配從而影響整個天線的工作帶寬。

2 參數分析

本文對影響天線軸比和反射系數的關鍵參數進行了深入研究，為后續加工實現提供了重要的參考意義。

圖2展現了B1對軸比和反射系數的影響，從圖中可以得出B1主要影響軸比帶寬的兩端，而對反射系數的影響主要在低頻段，經過優化，最終確定B1為31.7mm。

圖3展現了B2對軸比和反射系數的影響，可以得出B2主要影響軸比帶寬的高頻端，而對反射系數的影響在低頻端，經過優化，最終確定B2為41.2mm。

圖4展現了L1對軸比和反射系數的影響，可以得出L1對整個軸比帶寬影響都比較大，而對反射系數的影響卻比較小，經過優化，最終確定L1為32mm。

圖5展現了L2對軸比和反射系數的影響，可以得出L2對天線軸比帶寬和反射系數影響都比較小，經過優化，最終確定L2為42.9mm。

3 仿真結果

經過優化最終所得天線的軸比和反射系數曲線如圖6所示，從圖可以得出本文所設計的天線從1.19GHz至2.05GHz達到了-10dB反射系數，其相對帶寬達到53.1%。天線的3dB軸比帶寬為1.47GHz～1.97GHz，可以達到29.1%。

4 結語

本文設計了一種新型寬帶圓極化天線，并通過仿真驗證此天線具有比較寬的工作帶寬和軸比帶寬。文中提出利用共面波導雙模工作而實現寬帶圓極化輻射的新方法，其原理是利用兩種饋電方法，在共面波導縫隙里同時產生一個奇數模和偶數模，通過控制兩個模的幅度和相位差，從而可以獲得比較理想的圓極化輻射波，最終天線小于-10dB的反射系數帶寬可以達到53%，3dB軸比帶寬可以達到29%。整個天線結構簡單，加工方便，應用前景廣闊。

參考文獻

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