一種共面波導差分饋電的寬帶圓極化天線

劉 芬，江 鵬，姬五勝，劉 坤

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.天津菲利科物聯網技術有限公司，天津 300192）

圓極化天線[1-2]可有效減小極化損耗，提高系統容量，故在無線電領域具有非常重要的作用。當前實現圓極化天線的主要方式有：環形電流法[3-5]、正交對稱振子法[6-7]、差分饋電法[8-10]等。差分天線采用差分饋電方式，可直接與射頻前端相連，從而避免使用巴倫等轉換器件，有利于提高系統的集成度。因此，研究和設計差分饋電式寬帶圓極化天線具有十分重要的意義。文獻[11]提出了一種采用180°旋轉對稱的風車型結構的差分饋電圓極化毫米波天線，采用行波激勵和差分饋電方式，但軸比帶寬為17.4%，相對較窄。文獻[12]提出了一種由地板、半環和蝶形振子組成的寬帶差分饋電圓極化天線，獲得了34.7%的軸比帶寬，但是該天線的結構復雜，不易制作。文獻[13]提出了一種基于AMC結構的改進型的差分饋電寬帶圓極化天線，3 dB 軸比帶寬為43.9%，性能優異，結構簡單，但在高頻輻射方向具有較大的交叉極化，因此該天線還有相當大的改良空間。針對上述研究中存在的弊端，本文提出了一種共面波導差分饋電的寬帶圓極化天線，包括方槽、兩條正交的對稱T 形饋線、一對交叉Z 型條以及加載了一個斜45°矩形條，使得軸比（AR）帶寬增強，改善了天線的圓極化特性。

1 天線圓極化機理分析

在分析差分天線電路參數時，可將其等效為一個二端口網絡，二端口網絡的入射波和反射波如圖1 所示。

圖1 二端口網絡的入射波和反射波

根據二端口網絡[14-15]和圓極化波[16-17]相關知識，可以得到差分天線的差模反射系數Sdd和軸比AR 的計算公式分別為

式中：S11、S12、S21、S22均為二端口網絡的S 參數。

式中：A 為橢圓極化的長軸；B 為橢圓極化的短軸。

差分天線結構如圖2 所示。圖2（a）天線的主要輻射體由一對對稱的T 型條組成，圖2（b）天線在圖2（a）天線結構基礎上增加了一對交叉Z 型條，圖2（c）為本文提出的天線結構模型。

圖2 差分天線結構

對上述3 種結構差分天線的差分反射系數進行HFSS 仿真分析，3 種類型天線的差分反射系數如圖3所示。由圖3 可知，當天線在模型1 情形下，其工作頻率上移，阻抗匹配變差；模型2 天線的中心頻率滿足要求，但是帶寬以及阻抗匹配不是很理想；模型3 天線的帶寬更寬，阻抗匹配得到改善。

圖3 3 種類型天線的差分反射系數

圖4 為3 種類型天線的軸比曲線。由圖4 可知，無論是模型1 還是模型2，天線的軸比均大于3 dB，不能夠實現圓極化的要求，因此在模型3 中加入斜45°矩形條，可改善軸比，使天線實現圓極化。

圖4 3 種類型天線的軸比曲線

2 天線參數分析與設計

天線的三維結構仿真圖和幾何結構正視圖如圖5所示。天線印刷在FR4 基板上相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.002，基板厚度為1.6 mm。天線由50 Ω 的共面波導饋源進行饋電，其中這個信號線的寬度為W1，長度為L1，2 個相同間隙的寬度均為0.8 mm。與其相連的T 型條的上部分矩形條長為L2，寬為W2。與倒L 型地面相連的矩形槽長為L3，寬度為W3，上方與其相連的矩形槽長為L4，縫隙加載的斜45°矩形條長度為L5。插槽的邊長處約是在中頻縫隙波導軸比帶寬波長的1/2。在運用HFSS 仿真軟件進行天線設計時，把與背景相接觸的表面設置為輻射邊界條件。

圖5 天線的三維結構仿真圖和幾何結構正視圖

在天線設計過程中，每一個結構的尺寸都會對天線的性能參數產生不同程度的影響。對于T 型矩形條來說，先固定水平矩形條，其長度L2=15 mm，垂直矩形條長度L1與天線差分反射系數以及軸比曲線如圖6 所示。從圖6 可以看出，當L1=10 mm 時，天線不工作，軸比相應也很差；當L1=15 mm 時，天線的差分反射系數滿足要求，并且軸比也在相應范圍內呈現較好的特性；進一步增大L1，當L1=20 mm 時，天線的差分反射系數急速變差，相應的軸比也隨之減小。因此，當L1=15 mm 時，天線性能較好。

圖6 T 型矩形條的垂直矩形條長度L1 對天線性能的影響

T 型矩形條的水平矩形條長度L2對天線差分反射系數以及軸比曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出，當L2=10 mm 時，天線不工作，軸比相應也很差；將其增大，當L2=15 mm 時，天線的差分反射系數滿足要求，并且軸比也在相應范圍內呈現較好的特性；當L2=20 mm 時，天線的差分反射系數急速變差，相應的軸比也隨之減小，因此選擇L2在15 mm 附近為天線性能較好的情況，但是相對L1而言，L2的變化對于天線的軸比影響更小。根據系統設計要求，設計的天線L2為13.4 mm。

圖7 T 型矩形條的垂直矩形條長度L2 對天線性能的影響

確定好T 型條尺寸后，進行Z 型矩形條尺寸設計。對Z 型矩形條較長的一段長度L3進行分析，天線Z 型矩形條中較長的一段長度L3對天線性能的影響如圖8 所示。從圖8 可以看出，天線在L3變化時性能變化非常大：在L3不斷減小時，天線的差分反射系數逐漸接近于一條直線，且該直線約為-3 dB，說明已經完全偏離了設計路線；當L3不斷增大時，天線的軸比有所好轉，但是差分反射系數依舊較差，為了達到設計要求，將L3的數值固定在20 mm 附近，才能夠使天線既可以工作在工作頻段，也可實現圓極化的特性。

圖8 L3 對天線性能的影響

天線Z 型矩形條較短的一段長度L4對天線差分反射系數的影響以及軸比曲線如圖9 所示。從圖9 可以看出，相對于上述提及的其他長度，L4的變化對天線性能影響較小，無論是增大還是減小，其差分均能夠保持在興趣頻段范圍內小于或者接近-10 dB 的要求，但是該長度對軸比的變化影響卻很大，隨著L4的不斷變化，天線的軸比變化很大，且均不能滿足設計要求，因此該長度的選擇需要配合其他尺寸進行調整。

圖9 L4 對天線性能的影響

依次確定好T 型條尺寸、Z 型矩形條尺寸后，最后對加載的斜45°矩形條長度L5進行設計。為了能夠得到理想的設計要求，在設計天線時，還需要綜合考慮天線的各個尺寸參數配合選擇，以實現天線性能的最優化。經優化后天線的結構尺寸參數如表1 所示。

表1 最終優化的結構尺寸參數

3 仿真結果

差分饋電天線的差分反射系數仿真結果如圖10所示。本文所設計天線的軸比曲線和天線峰值增益隨頻率變化曲線分別如圖11 和圖12 所示。天線的二維方向圖如圖13 所示。

圖10 天線的差分反射系數

圖11 天線的軸比曲線隨頻率變化曲線

圖12 天線峰值增益隨頻率變化曲線

圖13 天線的二維方向圖

從圖10 可知，天線的整個阻抗帶寬范圍覆蓋從1.74～2.75 GHz，中心工作頻率處于2.45 GHz。天線最低的反射系數達到了-38.7 dB，這就表明天線的反射率很低，向外傳輸特性良好，阻抗匹配也較好。由圖11可知，天線軸比在1.67～2.68 GHz 范圍內均小于3 dB，該范圍與阻抗帶寬范圍非常接近，說明了所設計天線的性能非常好，具有良好的圓極化特性。由圖12 可以看出，在頻率為2.55 GHz 處天線的最大增益為3.41 dBi；同時在1.9～2.7 GHz 范圍內增益全部大于2 dBi。

從圖13 可以看出，天線的主極化方式為左旋圓極化，而交叉極化為右旋圓極化，且天線方向圖曲線表示交叉極化相對主極化較小，對于信號的干擾效果較小，這表明所設計天線的方向圖較好，具有好的全向特性。

4 結語

本文設計的寬帶差分圓極化天線，具有良好的寬帶圓極化性能。所設計的天線軸比相對帶寬為41.2%，差分反射系數小于-10 dB 的范圍為1.01 GHz，最大增益為3.41 dBi，整個阻抗帶寬范圍覆蓋從1.74～2.75 GHz，且在整個工作頻段內二維方向圖穩定。仿真結果表明，本文提出的天線具有寬帶、全平面、方向圖穩定、便于集成等特點，符合無線通信系統設計要求。