淺談圓極化微帶天線

房明明

（威海職業(yè)學(xué)院 信息工程系，山東 威海 264210）

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，天線作為各種無(wú)線通信設(shè)備中必不可少的元器件，獲得了廣泛的應(yīng)用和重要的技術(shù)進(jìn)展。在許多雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和遙控遙測(cè)等系統(tǒng)中，圓極化天線是一種常用的天線形式。圓極化天線有利于對(duì)空間電磁波的接收，同時(shí)還能夠抑制雨霧反射雜波的干擾。開展低成本、小型化、低剖面的圓極化天線的研究具有重要的實(shí)際意義。

1 圓極化微帶天線介紹

天線系統(tǒng)的功能是完成發(fā)射機(jī)和接收機(jī)與空間電磁波之間的能量轉(zhuǎn)換，它具有輻射方向性和極化等指標(biāo)特性，對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵作用[1]。天線輻射出的是電磁波，電磁波在空間里進(jìn)行傳播可以選擇不同的極化方式。所謂極化是指天線在輻射電磁波時(shí)其電場(chǎng)矢量在空間內(nèi)的指向。所謂極化天線就是指天線輻射出的電磁波要具有一定的極化性能。常見的極化方式有圓極化、線極化和橢圓極化等等。線極化是指天線輻射出的電磁波在一條直線上來(lái)回振動(dòng)向前傳播；圓極化或橢圓極化波是指天線輻射的電磁波繞傳播方向沿著圓形或橢圓形路徑轉(zhuǎn)動(dòng)向前傳播。

根據(jù)電磁波極化的定義[2]，假設(shè)考察的電磁波為完全極化波，且為正弦振蕩的電磁信號(hào)，瞬態(tài)電場(chǎng)矢量E在x軸和y軸上的分量分別為Ex和Ey，則在z=0位置處的瞬態(tài)電場(chǎng)可寫為：

式中，ex和ey分別為x軸和y軸上的單位矢量，δ為Ey超前Ex的相位，公式推導(dǎo)表明，該電場(chǎng)矢量隨著時(shí)間變化的空間軌跡為一個(gè)橢圓；假設(shè)該橢圓的橢圓傾角為τ，它為橢圓的長(zhǎng)軸與x軸的夾角，橢圓的軸比為長(zhǎng)軸電場(chǎng)分量與短軸電場(chǎng)分量之比；當(dāng)兩個(gè)極化分量同相時(shí)，即δ＝0，該電磁波為線極化波，當(dāng)δ＞0時(shí)，該電磁波為左旋橢圓極化波，當(dāng)δ＜0時(shí)，該電磁波為右旋橢圓極化波，當(dāng)δ＝90°且兩個(gè)極化分量振幅相同時(shí)，該電磁波為圓極化波。

在圓極化天線中，微帶印刷天線是一種最為常用的天線形式。微帶天線具有易于實(shí)現(xiàn)圓極化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、加工方便、剖面低、易于與載體共形、易于與有源電路集成、設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)多頻段工作模式等優(yōu)點(diǎn)，圓極化天線具有增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量、抑制雨霧反射、提高天線系統(tǒng)效率等優(yōu)點(diǎn)，因此由微帶印刷天線與圓極化技術(shù)結(jié)合而成的圓極化微帶天線獲得了廣泛的應(yīng)用和深入的研究[3]。

2 圓極化微帶天線的應(yīng)用

一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和時(shí)間上都互相正交的振幅相等的線極化波；任意一個(gè)橢圓極化波可以分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波，即左旋和右旋圓極化波；圓極化天線具有旋向正交性，即：左旋圓極化天線和右旋圓極化天線不能兼容，左旋圓極化天線只能接收左旋圓極化波，而右旋圓極化天線也只能接收右旋圓極化波卻不接收左旋圓極化波；當(dāng)某一圓極化波入射到平面和球面等對(duì)稱目標(biāo)的表面時(shí)，其反射出的電磁波旋向與入射波相反。由于圓極化波的這個(gè)特性，圓極化天線在抑制雨霧阻礙干擾等方面具有優(yōu)異性能。因此圓極化天線被廣泛應(yīng)用于遙感遙測(cè)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、氣象雷達(dá)系統(tǒng)、電子偵察與電子干擾系統(tǒng)中。在射電天文學(xué)和遙測(cè)遙感設(shè)備中，采用圓極化天線，可以有效地消除一些由電離層的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)而引起的各種極化畸變影響；同時(shí)由于圓極化天線良好的接收性能，在現(xiàn)代電子對(duì)抗中還可以使用圓極化天線來(lái)偵察敵方的多數(shù)極化方式的電磁信號(hào)；在航天器和飛機(jī)等高速運(yùn)動(dòng)的物體上，安裝圓極化天線，也能夠更為有效的接收到電磁信號(hào)。

3 圓極化微帶天線的頻帶展寬方法

傳統(tǒng)的一般形狀的微帶天線有一個(gè)固有的缺點(diǎn)就是工作頻帶太窄，其相對(duì)帶寬大約僅有百分之幾。然而微帶天線的方向圖帶寬并不窄，所以限制其工作頻帶的主要因素是阻抗帶寬。

近年來(lái)，隨著各種新式無(wú)線設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)圓極化微帶天線的頻帶寬度要求也越來(lái)越高。為了展寬圓極化微帶天線工作頻帶的帶寬，若不給定天線導(dǎo)體貼片的形式，可以從改變導(dǎo)體貼片的形狀、改變貼片的結(jié)構(gòu)和選擇不同的貼片材質(zhì)等途徑進(jìn)行改善。

而對(duì)于已經(jīng)給定的貼片形式，則可以從降低Q值、修改等效電路為多調(diào)諧回路、改進(jìn)饋電方式、采用陣列技術(shù)等四條途徑尋求突破。降低等效電路的Q值可以采用增大基片厚度h和降低基片相對(duì)介電常數(shù)εr，或是增大tanδ等方法；修改諧振回路可以采用加載U形縫隙，附加寄生貼片（雙層或共面配置），采用多層結(jié)構(gòu)等方法；改變饋電方式可以采用附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，利用L形探針饋電和應(yīng)用電磁耦合饋電等方法；利用陣列技術(shù)可以采用對(duì)數(shù)周期陣結(jié)構(gòu)或行波陣等方法。

對(duì)于不同厚度的介質(zhì)貼片，通常可利用經(jīng)驗(yàn)公式得到圓極化帶寬與介質(zhì)基片厚度的關(guān)系為：

此外還可以采用改變饋電方式等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)頻帶展寬。例如采用縫隙耦合、L型饋電、共面波導(dǎo)饋電等方法可將天線的圓極化帶寬（AR≤3dB）擴(kuò)展到15%，阻抗帶寬（VSWR≤2dB）擴(kuò)展到34%。

4 結(jié)論

綜上所述，圓極化微帶天線具有很多優(yōu)良的工作性能并獲得了廣泛應(yīng)用，開展圓極化微帶天線的研究工作，可以為實(shí)際工程項(xiàng)目的天線研制提供理論支持。

[1]馬漢炎.天線技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[2]付世強(qiáng).圓極化微帶天線及其在海事衛(wèi)星通信中的應(yīng)用[D].大連海事大學(xué),2010.

[3]薛睿峰,鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2002,17（4）.