一種新型雙頻圓極化微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)

李尚軒，陳 拓，黨 琳，汶 濤

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710071)

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對天線的性能要求越來越高，單純線極化天線已無法滿足需求，而圓極化天線的應(yīng)用越來越廣泛。普通微帶天線的圓極化軸比帶寬一般不超過1%。使用雙層或多層貼片微帶天線，可較大幅度地提高帶寬，但其體積大，且各貼片之間可能存在耦合。使用微帶天線陣技術(shù)，則需要額外的饋電網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)用場合受到限制。對于單層微帶天線，帶寬窄是它的缺點(diǎn)，而優(yōu)點(diǎn)包括:結(jié)構(gòu)簡單，無需額外的饋電網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)圓極化的同時(shí)，天線能滿足小型化、寬頻帶以及其他各種用途的要求［1］。前文中已經(jīng)提到過，與傳統(tǒng)的貼片天線相比，微帶縫隙天線能得到更寬的帶寬，且只通過在地板開縫實(shí)現(xiàn)天線的各種性特，結(jié)構(gòu)簡單、容易加工。

本文論述了一種新型的雙頻圓極化微帶縫隙天線。天線的兩個(gè)頻段分別工作在L(1～2 GHz)和S(2～4 GHz)波段;圓極化波的相對帶寬達(dá)到14.1%和9.2%;輻射方向圖性能良好、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易加工。

1 天線設(shè)計(jì)

提出的雙頻圓極化天線為微帶縫隙結(jié)構(gòu)，通過在地板合理開槽克服了縫隙天線本身頻帶窄的缺點(diǎn)，有效拓展了天線寬帶［2］。天線結(jié)構(gòu)和具體尺寸如圖1所示，基板采用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)，整體尺寸為70 mm×70 mm×1.6 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

介質(zhì)板上層為微帶饋線，改變饋線寬度d從而在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)天線駐波的大小。端口采用50Ω饋電。介質(zhì)板下層為地板，縫隙由一傾斜45°角的方形和矩形構(gòu)成。對角另開的兩個(gè)矩形縫隙可以激勵(lì)起兩個(gè)幅度相等、相位相差90°的線極化波從而實(shí)現(xiàn)圓極化。長矩形縫隙處又開了個(gè)小矩形槽，從而得到雙頻圓極化。微帶饋線末端的圓形小貼片用于調(diào)節(jié)阻抗匹配。為便于與測量儀器直接相連，微帶饋線的特性阻抗設(shè)計(jì)為50Ω，對應(yīng)的微帶線寬度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式(1)和式(2)來進(jìn)行計(jì)算

2 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

通過有限元磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線進(jìn)行建模，可以仿真分析該天線的各項(xiàng)性能［3－4］。

2.1 小矩形縫隙

小矩形位置d1的選擇主要決定了較高頻率的諧振點(diǎn)。如圖1所示，將小矩形縫隙開在距離傾斜方形d1位置處，并緊鄰對角的大矩形，主要是考慮到該位置處電流分布比較集中，容易獲得圓極化波。通過對d1合理賦值可使天線獲得高頻處變化較大的回波損耗和軸比曲線，如圖2所示，對比不同d1值對應(yīng)的兩種曲線形式。小矩形寬度主要影響頻帶內(nèi)軸比的大小，如圖3所示，可以看出隨著W1的增大，軸比值變小。

圖2 不同參數(shù)d1對天線性能的影響

2.2 圓形貼片

為令阻抗匹配程度更好，在饋線末端加裝一個(gè)圓形貼片。由于圓形無論從哪個(gè)方向看都是軸對稱圖形，因而圓形貼片對天線的圓極化性能理論上不會有太大影響。從這個(gè)角度考慮，就可以通過添加圓形貼片，在保持原有天線圓極化性能的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配程度。如圖4所示，不同貼片半徑R對應(yīng)的回波損耗對比圖和軸比對比圖。

圖3 不同參數(shù)W1對天線性能的影響

圖4 不同參數(shù)R對天線性能的影響

可以看出，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。圓形貼片尺寸變化時(shí)，天線的軸比曲線基本沒有變化，回波損耗曲線則變化陡峭。通過反復(fù)優(yōu)化調(diào)節(jié)，選擇合適的尺寸，在滿足端口反射系數(shù)要求的同時(shí)，可以獲得更寬的軸比帶寬。

2.3 天線性能分析

為了驗(yàn)證該全向圓極化天線結(jié)構(gòu)的可行性和仿真計(jì)算結(jié)果的正確性，制作了天線實(shí)物模型進(jìn)行測試，如圖5所示，測試和仿真計(jì)算結(jié)果吻合較好。如圖6(a)所示，天線反射系數(shù)與仿真計(jì)算結(jié)果相比，曲線變化趨勢較吻合，但高頻段諧振點(diǎn)位置稍有偏移。最小反射系數(shù)對應(yīng)的頻率點(diǎn)由仿真計(jì)算時(shí)的2.3 GHz與實(shí)測結(jié)果的2.2 GHz之間存在約0.1 GHz的偏移，最小反射系數(shù)值略有上升。圖6(b)是天線圓極化軸比曲線示意圖，軸比帶寬為800 MHz(1.55～2.35 GHz)，回波損耗在－10 dB以下的曲線全部在軸比帶寬以內(nèi)［5－6］。

圖5 雙頻圓極化天線實(shí)物照片

圖6 雙頻圓極化微帶縫隙天線仿真結(jié)果

圖7為天線在1.7 GHz、2.2 GHz的XOZ面和YOZ面方向圖?？梢钥闯?，雙頻中較低頻處方向圖較好，且交叉極化也很小，但到高頻處交叉極化較大。總地來說該結(jié)構(gòu)的天線確實(shí)可以輻射全向圓極化波，驗(yàn)證了使用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全向圓極化天線是可行的。圖8是該天線最大輻射方向的增益曲線。

圖7 雙頻圓極化天線遠(yuǎn)場方向圖

圖8 雙頻圓極化微帶縫隙天線的增益

3 結(jié)束語

提出了一種雙頻圓極化天線，并利用Ansoft HFSS軟件對天線的性能進(jìn)行了分析。天線低頻段圓極化波覆蓋1.59～1.83 GHz，帶寬達(dá)到240 MHz，相當(dāng)于低頻段中心頻率1.7 GHz的14.1%，高頻段覆蓋2.17～2.38 GHz，帶寬達(dá)到210 MHz，相當(dāng)于高頻段中心頻率2.28 GHz的9.2%。天線在低頻具有良好的交叉極化特性。這種天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 林昌祿.天線工程手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］ 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

［3］ 梁仙靈.雙極化微帶天線陣與超寬帶、多頻段印刷天線［D］.上海:上海大學(xué)，2006.

［4］SZE IA－YI，CHANG Weishan.Dual－band square slot antenna with embedded crossed strips for wireless Local Area Network Applications［J］.Microwave Optical Technology Letters，2009，51(4):435－439.

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［6］OOI P C，SELVAN K T.A dual－band circular slot antenna with an offset microstrip－fed line for PCS，UMTS，MT－2000，ISM，Bluetooth，RFID and WLAN applications［J］.Progress In Electromagnetics Research Letters，2010(16):1－10.