采用L 型饋電結構的寬帶圓極化微帶天線

盧佳妮，丁付兵，司貴寶，韓榮蒼，孫如英

（臨沂大學 物理與電子工程學院，山東 臨沂 276000）

1 研究背景及意義

無線通信技術快速發展，各種通信制式應運而生，在無線終端設備上常常需要支持不同的通信協議。為降低硬件成本，能夠兼容多個工作頻段的寬帶天線很受青睞。在電磁干擾中為同時執行雷達、電子戰和通信的電子功能，要求天線能夠覆蓋各種無線電頻段。因此，設計寬頻帶圓極化微帶天線具有重要的意義。圓極化（Circular-Polarization，CP）波在無線通信中也比線極化波更有優勢[1]。首先，圓極化波可由任意極化天線接收；其次，圓極化波入射到對稱目標上極化旋向發生逆轉，因此在無線通信、衛星導航時能抑制雨霧干擾，并且具有更好的抗多徑反射[1]性能。所以，在無線通信系統中寬頻帶圓極化天線往往更受關注。

對于圓極化微帶天線，實現寬頻帶的天線結構基本上分為3 種：寬縫隙結構[2-3]、單極子結構[4-5]和貼片結構[6-7]。后2 種結構屬于雙向輻射天線，天線增益受到結構的先天限制，不易實現高增益。本文采用單向輻射的貼片結構。在這類天線中實現圓極化的方案基本分為2 類，一類是單點饋電型，一類是多點饋電型[8]。單點饋電型圓極化微帶貼片天線的饋電網絡往往比較簡單，要實現寬帶工作特性，一般采用多層堆疊結構。但這類天線的結構參數較多，貼片的層數、尺寸和各層介質的厚度都是影響天線性能的關鍵指標，設計復雜度高。對于多點饋電型圓極化微帶天線，饋電網絡往往采用正交耦合器，容易實現寬頻帶設計。本文采用的饋電網絡采用威爾金森功分器，其帶寬接近100%，完全滿足一般寬帶功率分配的需要；但是常規的差分線移相器帶寬受限于均勻傳輸線對頻率的依賴性，一般在10%左右，與威爾金森功分器的帶寬很不匹配。

本文的主要創新點是設計了一款寬帶移相器，并與功率分配器相級聯構成了一套寬帶正交耦合器。在饋電機制上，采用L 型饋電結構。這種結構引入容性耦合饋電機制，克服了傳統的探針饋電結構感抗過大的缺陷，實現了良好的阻抗匹配。研究結果表明，該天線的阻抗帶寬達到41.3%，軸比帶寬達到了41%。

2 天線的結構

提出的圓極化寬帶微帶天線的幾何結構如圖1 所示，（a）為俯視圖，（b）為側視圖。該天線使用了三層高頻介質板，具體結構如下：饋電網絡位于最下層介質板上，其長×寬＝75×75 mm2，兩輸出端口分別在正交的位置連接一套L 型饋電結構，饋電結構的水平部分放置在第二層介質板上，正方形輻射貼片置于頂層介質板上。第一、二層介質基板采用F4B-2 型高頻介質板，其相對介電常數εr＝2.65，損耗角正切tanδ＝0.003，厚度均為1 mm。頂層采用FR-4 型介質板，其相對介電常數εr＝4.4，損耗角正切tanδ＝0.02，厚度t3＝0.8 mm。介質板之間的距離分別為h1＝8 mm，h2＝4 mm。

圖1 天線幾何結構圖

天線的饋電網絡由兩部分構成，一是采用1/4 波長傳輸線作為匹配器的威爾金森功分器，一是一個寬帶差分移相器。移相器的主通路是一個H 型多模諧振器，其兩端并聯有一對1/8 波長開路線和一對1/8 波長短路線，中間是一條半波長均勻傳輸線。該移相器在55%的工作帶寬（S11＜-15 dB）內能夠實現90°移相[2]，相位偏差僅3°。

3 實驗結果與分析

采用ANSYS HFSS15.0 對天線進行了全波仿真和優化，仿真優化后的天線各參數的值見表1。衡量天線的主要技術指標呈現如下。在阻抗匹配方面，反射系數S11的仿真結果如圖2 所示，在2.45～3.69 GHz 范圍內，S11的值均小于-10 dB，阻抗帶寬達到41.3%。

圖2 S11 隨頻率的變化關系

表1 天線各參數的尺寸 單位：mm

如圖3 所示，該天線實現了較寬的圓極化軸比帶寬，從2.46 GHz 到3.69 GHz 頻段內的3 dB 的軸比帶寬為41%，體現了較良好的圓極化輻射特性。天線增益隨頻率的變化關系如圖4 所示，增益＞3 dBi 覆蓋頻段大于阻抗匹配和軸比帶寬，具有典型的高增益天線特征，該天線在通帶內的最大增益達到了7.96 dBi（3.05 GHz）。

圖3 天線的軸比隨頻率的變化關系

圖4 天線增益隨頻率的變化關系

天線在中心頻率3.0 GHz 的輻射方向圖的仿真結果如圖5 所示。圖中分別畫出了天線在兩個正交面xoz與yoz 面方向圖。結果顯示該天線在+z 方向上輻射LHCP（左旋圓極化）波，高于其交叉極化RHCP（右旋圓極化）波20 dB 以上。

圖5 3.0 GHz 處天線的輻射方向圖

為了考察天線輻射場的寬帶特性，我們給出了2.5 GHz 和3.6 GHz 處輻射方向圖，分別如圖6 和圖7 所示，其在主輻射方向上均保持較好的圓極化輻射特性。

圖6 2.5 GHz 處天線的輻射方向圖

圖7 3.6 GHz 處天線的輻射方向圖

4 結論

本文設計的左旋圓極化微帶天線，其工作帶寬覆蓋2.46 GHz 至3.69 GHz 頻段，綜合阻抗匹配、軸比特性和增益等主要指標，其相對帶寬超過40%，在寬帶無線通信系統具有很大的工程應用價值。