小型圓極化微帶天線設計

藺玉珂 陳芋蓉 周瑤 王志遠

摘要：與其他極化類型的天線相比，圓極化天線可以接收任意極化的來波，其輻射的電磁波也能被任意極化天線所接收因此其廣泛應用于微信通信、射頻識別、WLAN領域。文章基于研究了幾種圓極化天線的設計方式，并采用耦合饋電的方式設計了一種小型化、大帶寬、高增益的圓極化微帶天線

關鍵詞：圓極化;小型化;微帶天線

中圖法分類號：TN822 文獻標識碼 A

Designofsmall circularlypolarizedmicrostripantenna

LIN Yuke，CHEN Yurong，ZHOU Yao，WANG Zhiyuan

（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

Abstract： Compared with other polarization types of antennas？ circular polarization antenna can receive incoming waves with arbitrary polarization， and its radiated electromagnetic waves can also be received by antennas with arbitrary polarization. Therefore， it is widely used in the fields of wechat communication， RFID and WLAN. In this paper， HFvSvS is used to study the design methods of several circularly polarized antennas？and a circularly polarized microstrip antenna with miniaturization， large bandwidth and high gain is designed by coupling feeding.

Key words：circular polarization， miniaturization， microstrip antenna

1引言

在隨著時代不斷發展，天線作為無線通信領域中的重要元器件之一，其應用場景變得非常廣闊，其技術發展和實際應用也十分成熟。由于天線的發展趨向于小型化，因此天線小型化技術在如今這個技術時代的重要性不言而喻。通常情況下，微帶天線的頻譜帶寬較窄，不同的饋電方式會對頻帶寬度產生不同的影響。微帶線饋電的方式對頻譜展寬有一定難度，此時可以將天線的饋電方式更改為耦合饋電。要改變天線的尺寸，在設計之初就要考慮適合的介質基板，不同材料的介質基板的厚度和介電常數都會存在差異，介質基板的介電常數會直接影響天線尺寸，介電常數越大，天線就更加趨于小型化，天線的帶寬就會更小[1]。

當前，國內外大多數學者為實現天線小型化，普遍采用高介電常數的介質基板方式;為實現圓極化功能，普遍采用常見的方形貼片切角和雙饋方式。這兩種方式無論是在實現原理上還是在成品工藝制作難度上都是人們普遍認可的。為了讓天線在收發信號的同時提高可靠性和傳輸效率，國內外學者都會采用天線陣的貼片組合方式來提高天線增益，饋電網絡結構模型基本采用威爾金森功分器進行能量傳輸和分配。由于天線的應用范圍很廣，為了滿足各種需求，微帶天線由窄帶通信逐漸變為寬頻帶通信。由于微帶天線具有頻帶窄的特點，國內外學者都在探討如何拓展天線的頻帶寬度。如今，使用較多的頻帶拓寬方式為變更饋電方式，即由傳統的微帶線饋電變為同軸線饋電，甚至是耦合饋電。

2圓極化微帶天線的饋電方式

2.1微帶傳輸線饋電

微帶傳輸線饋電裝置制造簡便，饋線的輻射會對其波形和增益造成一定的干擾，而且條形饋線中的額外電容會增加更多的電抗，從而降低工作頻段。因此，通常需要使微帶饋線的寬度w不能變得更寬，并且期望w<<λ，從而需要具有更高的特征阻抗Zc、更低的襯底厚度h以及合適地增加電介質常數。微帶饋線可以與相關元件直接連接或插入元件的內側，從而達到期望的阻抗值，因此，可以通過適當地選取饋送點位置來完成天線的輸入阻抗與饋線特征阻抗的配合。

2.2同軸線饋電

同軸線饋電方式具有很好的隔斷和防護能力，這使得饋電元件與輻射元件相對獨立，因此可以改善其整體性能。同時，可以將饋電點置于所需的位置，以方便配合。該饋送方式的缺陷在于必須在介電襯底上穿孔，同時要將探測器與微帶片焊接在一起，造成結構不統一，制造起來也比較煩瑣[2]。

2.3電磁耦合饋電

電磁場耦合饋電是使用與貼片相鄰但未連接的微帶傳送線向材料供能（無接觸激發機構），微帶貼片與介質基板可以共面或不共面。在非共平面的EMC饋電中，還可以在饋線與貼片中間加一條帶有長方形槽的接地板，由狹縫供電。通過調節間隙大小，可以實現對饋電與貼片的柔性調節。通過調節縫隙的長寬間距，通?？梢垣@得理想的匹配效果。

2.4口徑耦合饋電

口徑耦合饋電方式有以下特點：端口阻抗匹配程度較高，饋電點不需要進行焊點連接;輻射貼片單元通過介質基板和饋電結構相分離，饋電網絡模型和電磁耦合的饋電方式有相似之處，即都是通過耦合方式進行饋電;電磁耦合主要采用介質板的開槽對縫隙的尺寸進行調整，可以獲得較高的匹配程度，同時可以獲得理想的頻帶寬度，這也和口徑耦合饋電不謀而合[3～5]。

3口徑耦合饋電圓極化微帶天線的設計

3.1輻射貼片尺寸計算

天線帶寬為2.9GHz～3.3GHz，中心頻點為3.1GHz，則工作波長λ=96.8mm。使用具有4.4的介電率和0.02的正切率的FR4作為天線基板，天線單元采用微帶線縫隙耦合饋電的微帶貼片天線。

天線單元間距取0.5倍波長，則單元介質基板長寬為sub_l=sub_w=50mm，介質基板高度sub_h取1.6mm。根據微帶天線的相關理論，經驗公式為了使增益最大，對Lp有要求：

（1）

考慮介電界面和氣體界面時，為了簡化，該體系可以將介電常數直接用作介電常數λg是Wp寬的微帶線對應的導波波長，hp為輻射貼片與縫隙間厚度（考慮空氣填充時），計算ΔL時hp單位必須是mm，c是真空光速，εr是支撐貼片的介質的相對介電常數。更簡單的公式為：

（2）

此時，理論上能得到較大增益，帶入數值計算，得貼片長度patchl=22.6mm。而Wp對增益沒有影響，但會影響帶寬和阻抗。為了防止激勵高次模，通常取WP≤LP，因為要設計圓極化，則貼片應該為正方形，patch_l=WP=LP=22.6mm。

縫隙的長Ls和寬Ws，沒有經驗公式，建議Ls取為1/4至1/2導波波長（即約Wp/2～Wp之間），Ws約為Ls的1/5。則縫隙長和寬slot_l×slot_w=15mm×3mm。橫截面視圖中，一般取hp>hf，εp<εf。該結構中，兩個襯底均采用FR4作為襯底，而下部FR4襯底的高度為上部的二分之一，襯底的下襯底的厚度為0.8mm。饋線寬度采用50歐姆的特性阻抗，利用微帶線計算工具計算，微帶線寬度為line_w=1.515mm。

饋線伸出縫隙的長度Lstub對阻抗匹配和輻射增益可能有影響?？p隙應位于饋線上電流最大的地方，饋線開路，開路處（末端）電流為0，回退四分之一波長處電流最大。因此，圖中的Lstub應近似取為饋線上導波波長的四分之一?？紤]邊緣效應，等效長度略長于實際物理長度，故Lstub可近似取為Lstub≈0.23λg，f。當然，這是經驗值，可以通過仿真做進一步優化。初始饋線伸出縫隙的長度取line2_l=13mm。

3.2耦合饋電HFSS建模

縫隙耦合饋電的方式雖可以實現天線的寬頻帶，但犧牲了天線的增益，滿足高增益的天線需要通過陣列的方式來實現，陣列天線對于天線的尺寸很難把握，必定對小型化設計有一定難度，此時需要采用口徑耦合的饋電方式進行設計優化[6～8]?？趶今詈橡侂娔Ｐ驮O計原理和電磁耦合型饋電實現原理相同，只是在矩形口徑設計上存在差異。其上下兩層介質板仍采用介電常數4.4的環氧樹脂板，端口激勵方式為波端口激勵模式，實現圓極化方式采用貼片切角，金屬貼片和兩層介質板的電導體設置為理想電導體，模型設計如圖1所示。

3.3耦合饋電HFSS仿真

天線性能的主要衡量指標包括阻抗帶寬、增益、軸比、方向性、電壓駐波比等（圖2～5），主要是通過HFSS仿真得到上述數據。

4結論

圓極化微帶天線的設計方式主要有單片切角和使用功分器等，傳統、單一的微帶線饋電或同軸線饋電方式難以獲得較大的阻抗帶寬和較高的增益，采用陣列天線設計方式能有效擴展阻抗帶寬，但是其輻射性能遠遠比不上單片天線，而且陣列天線設計將大大增加天線尺寸。本文采用口徑耦合饋電方式的多層天線結構設計，天線尺寸與單片天線差異不大，但很好地擴展了阻抗帶寬，并且從方向圖來看，輻射性能較好，同時實現了較大的增益。

參考文獻：

[1]陳月盈.寬帶雙頻圓極化微帶天線設計[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[2]ChenM，ChenCC，Acompactdual-bandGPSantennadesign[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2013，（12）：245-248.

[3]陳兆豐，潘錦.應用于北斗和GPS的雙頻小型圓極化極化微帶天線[J].電子科技，2014，27（12）：116-119.

[4]宋小弟，馮恩信，傅君眉.一種新型小型圓極化GPS微帶天線的設計與實現[J].西安電子科技大學學報，2009，36（6）：1108-1113.

[5]SimCYD，HanTY，GPSantennadesignwithslottedgroundplane[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters，2008，50（3）：818-821.

[6]劉克誠，宋學誠.天線原理[M].長沙：國防科技大學出版社，1989.

[7]方金鑫.圓極化微帶天線的研究與設計[D].南京：南京郵電大學，2015.

[8]葉喜紅.寬帶寬波束圓極化天線的小型化理論與設計研究

[D].北京：北京理工大學，2015.

作者簡介：

藺玉珂（1980—），碩士，副教授，研究方向：激光通信、電子信息技術。