一種新型寬帶圓極化天線的分析與設(shè)計(jì)

王瑞濤，趙宇寧，丁 君，郭陳江

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

現(xiàn)代通信系統(tǒng)正面向大容量，高速化，多任務(wù)快速發(fā)展，寬帶天線在移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤，RFID，WLAN等方面的應(yīng)用越來越廣泛。然而，很多寬帶天線為線極化方式，已很難滿足惡劣條件下對天線傳輸信號穩(wěn)定性的需求。圓極化天線由于可接收任意極化的來波，其輻射波也可由任意極化天線收到，且不同旋向的電磁波間具有較大極化隔離，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和提高抗多徑能力，寬帶圓極化天線的研究日益得到重視。

為了實(shí)現(xiàn)天線的寬帶圓極化特性，前人總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)。在文獻(xiàn)[1]中，通過U型槽和L型探針饋電組合，并對貼片切角產(chǎn)生微擾，實(shí)現(xiàn)了14%的3 dB軸比帶寬。采用共面波導(dǎo)（CPW）饋電，采用圓形枝節(jié)調(diào)諧阻抗匹配，并在地板矩形槽的兩個(gè)對角向外開槽，把3 dB軸比帶寬展寬到14.6%[2]。采用相似的結(jié)構(gòu)，使用CPW進(jìn)行饋電，通過在矩形縫隙中饋電線末端增加一個(gè)小的調(diào)諧枝節(jié)調(diào)節(jié)阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)了17.39%的3 dB軸比帶寬[3]。同樣使用CPW饋電，通過在地板上刻蝕不對稱的槽，調(diào)節(jié)槽的尺寸和相對位置，產(chǎn)生兩個(gè)正交電場實(shí)現(xiàn)圓極化，獲得了31.2%的3 dB軸比帶寬[4]。在文獻(xiàn)[5]中，采用3 dB電橋在寬帶內(nèi)具有的穩(wěn)定90°相位差，對貼片進(jìn)行縫隙耦合饋電，實(shí)現(xiàn)了42.6%的3 dB軸比帶寬；但是天線的-10 dB阻抗帶寬卻只有32.3%，限制了其圓極化性能的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]使用CPW饋電，在地板矩形槽的兩個(gè)對角開了兩個(gè)E型槽，通過調(diào)節(jié)E型槽的尺寸，實(shí)現(xiàn)天線的寬帶圓極化特性，得到的3 dB軸比帶寬達(dá)到32.8%。通過采用末端短路的L型探針對地板上的L型槽進(jìn)行饋電，獲得了高達(dá)40%的3dB軸比帶寬[7]。通過對CPW饋電線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，采用閃電型的饋線，并在地板的兩個(gè)對角增加兩個(gè)倒L型接地線以提高天線的圓極化特性，使天線的3dB軸比帶寬達(dá)到了48.8%[8]。文獻(xiàn)[9]中采用CPW對L型單極子貼片饋電，天線形狀采用了規(guī)則的六邊形設(shè)計(jì)，通過在槽的兩個(gè)對邊增加了兩個(gè)L型接地線，把3 dB軸比帶寬提高到了50%。

但是L型探針對加工工藝要求較高，且需要設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)，使天線設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。諸如電橋，功分器的設(shè)計(jì)，在增加了3 dB軸比帶寬的同時(shí)，卻受限于阻抗帶寬的擴(kuò)展，且饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和布局也較麻煩。相對于以上幾種方式的寬帶圓極化天線，采用CPW饋電方式的寬縫圓極化天線，在保持天線的易設(shè)計(jì)，低造價(jià)，好加工等特性的同時(shí)，還可以明顯的展寬天線的3 dB軸比帶寬。

本文采用CPW給L型單極子饋電，調(diào)節(jié)L型貼片縱向部分的長度和寬度，可以改善天線的阻抗匹配，調(diào)節(jié)L型貼片橫向部分的尺寸，可以明顯改善天線的圓極化特性。通過在地板矩形縫隙的兩個(gè)對角設(shè)計(jì)自由階梯式結(jié)構(gòu)，可以靈活調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配和圓極化性能。仿真結(jié)果顯示天線的回波損耗 （S11<-10 dB）和3 dB軸比的綜合帶寬為70%（2.6～5.4 GHz）。

1 天線結(jié)構(gòu)與分析

本文設(shè)計(jì)仿真的天線結(jié)構(gòu)如圖 1（a）所示，并加工了實(shí)物驗(yàn)證仿真結(jié)果，實(shí)物如圖1（b）所示。介質(zhì)基板采用厚度為1.6 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4，天線的整體尺寸為60×60×1.6 mm3。天線的CPW饋電部分通過寬為 Wf的導(dǎo)帶與L型單極子貼片連接。調(diào)節(jié)Wf對天線的圓極化性能影響不大，但可以改變阻抗匹配。調(diào)節(jié)L型單極子貼片的長度Lt和寬度Wt，可以分別實(shí)現(xiàn)天線的寬帶內(nèi)阻抗匹配和寬帶圓極化性能。L型貼片的橫向枝節(jié)部分的尺寸為Wb和Lb，調(diào)節(jié)其大小，對軸比影響很大。地板中間刻蝕了兩個(gè)對稱的階梯型結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)階梯的L3和L6，主要影響天線的阻抗匹配。調(diào)節(jié)L4和L5的尺寸，影響寬縫中電場的分布，在形成幅度相同，相位差90°的電場時(shí)候，可以獲得良好的圓極化特性。在另外兩個(gè)內(nèi)角處，對天線進(jìn)行了切角處理，切角影響了L型貼片和地板的電流分布，對天線的圓極化特性產(chǎn)生了良性影響。表1列出了優(yōu)化后的天線的詳細(xì)參數(shù)列表。

圖1 CPW饋電天線Fig.1 The proposed CPW antenna

表1 天線結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)Tab.1 The detailed dimensions of the proposed antenna

為了對比采用L型貼片設(shè)計(jì)和切角結(jié)構(gòu)的效果，對為采用兩種設(shè)計(jì)的參考天線進(jìn)行了對比分析。圖2（a）為未采用L型結(jié)構(gòu)并未增加兩內(nèi)角切角結(jié)構(gòu)時(shí)天線的S11和3 dB軸比的仿真曲線圖。圖2（b）為采用L型結(jié)構(gòu)并未增加兩內(nèi)角切角結(jié)構(gòu)時(shí)天線的S11和3 dB軸比的仿真曲線圖。

圖2 兩款參考天線的S11和AR仿真曲線圖Fig.2 Simulated S11 and AR of 2 reference antennas

圖3 兩款參考天線的面電流分布圖Fig.3 Surface current of 2 reference antennas

由圖2（a）可以看出采用L型貼片結(jié)構(gòu)前，天線的阻抗帶寬在中心頻率較寬的范圍內(nèi)匹配不好，軸比基本可以滿足寬帶圓極化天線的需要（2.2～5.3 GHz）。 圖 3（a）（b）分別是未采用L型貼片和未采用切角結(jié)構(gòu)時(shí)，天線于3.5 GHz處的表面電流分布圖?？梢钥闯觯床捎肔型貼片時(shí)，表面電流主要因貼片耦合分布在右下角的L1處，通過采用L型貼片結(jié)構(gòu)，有效的減小了饋電結(jié)構(gòu)和L1邊的耦合，得到的新的面電流分布如圖3（b）所示，可以看到，面電流分布變得比較均勻，不再局限于L1處。

圖4 兩款參考天線的矢量電場分布圖Fig.4 Vector electric of 2 reference antennas

由圖2（b）可以看出，采用L型貼片后，天線的阻抗匹配明顯改善，但天線的圓極化性去被限制到很窄的頻帶內(nèi)（4.0～5.4 GHz）。圖 4（a）（b）所示分別為兩個(gè)參考天線于 3.5 GHz時(shí)矢量電場的分布圖。由圖4（a）可以看出，天線未切角時(shí)，矢量電場在兩個(gè)內(nèi)角的分布由于直角的突變性，導(dǎo)致電場的相位突變，難以滿足圓極化需要的90度相位差條件。而在切角后，由圖4（b）可以看出，矢量電場的分布變得平緩均勻，對于維持穩(wěn)定的90度相位差有很大影響，所以可以得到更好的圓極化特性。

圖5 天線的仿真結(jié)果Fig.5 Simulated results of the proposed antenna

為了進(jìn)一步得到性能良好的圓極化天線，接下來對兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)Wb和L2進(jìn)行分析。通過參數(shù)分析各參數(shù)對天線性能的規(guī)律性影響，指導(dǎo)天線的分析與設(shè)計(jì)。

圖5（a）所示為其它參數(shù)固定，對應(yīng)不同長度Wb的回波損耗圖。Wb的長度分別取 3.5 mm，4.0 mm，4.5 mm。由圖 5（a）所示，Wb增加時(shí)，對低頻段影響較小，對中頻及高頻段影響很大，這是因?yàn)閃b的變化改變了端口的輸入阻抗，當(dāng)輸入阻抗與端口阻抗匹配時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)天線的寬帶工作。

圖5（b）所示為其它參數(shù)固定，對應(yīng)不同長度L7的軸比變化圖。L7的長度分別取3 mm，4 mm和5 mm。如圖6（b）所示，L7對軸比低頻和高頻處影響都很明顯，L7增加，高頻處下降，低頻處先下降后上升，且對帶寬內(nèi)軸比的波動(dòng)影戲較大。經(jīng)過權(quán)衡比較，選擇了L7=5 mm作為最終選擇。

3 測試結(jié)果分析

圖6（a）（b）所示分別為天線S11和AR仿真與實(shí)測結(jié)果的對比圖。由圖6所示，S11和AR的仿真和測試結(jié)果良好吻合。S11和AR仿真和測試的綜合帶寬分別為71.4%和74.2%，可用的有效帶寬為70%（2.6～5.4 GHz）。圖中S11產(chǎn)生的諧振點(diǎn)頻偏和軸比在低頻段內(nèi)的起伏與天線的加工精度和測量環(huán)境有關(guān)。仿真時(shí)，像Wb一樣對天線S11影響很大的結(jié)構(gòu)很多，復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)更容易引入更多的加工誤差，誤差的累積效應(yīng)就會(huì)變大，從而導(dǎo)致天線的最深諧振點(diǎn)向左偏移300 MHz左右。窄縫處的耦合和天線的測試也都會(huì)影響到天線性能。

圖7所示為天線增益的仿真和測試結(jié)果隨頻率變化的曲線，測試結(jié)果和仿真結(jié)果匹配良好，且在有效帶寬2.6～5.4 GHz內(nèi)，天線的增益都大于3 dB，符合工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。由于實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備所限，本文未能給出圓極化天線的左旋與右旋圓極化波的測試圖。

4 結(jié) 論

圖6 CPW天線的仿真和測試結(jié)果對比（a）S11（b）ARFig.6 Simulated an measured results of the CPW antenna （a）S11 （b）AR

圖7 CPW天線的仿真和測試結(jié)果對比圖Fig.7 Simulated and measured gain of the proposed antenna

本文設(shè)計(jì)并制作了一款采用CPW饋電的寬帶圓極化天線[10]。通過在地板寬縫的兩個(gè)對稱的外角處增加階梯型結(jié)構(gòu)，并在兩個(gè)內(nèi)角處設(shè)計(jì)切角結(jié)構(gòu)，可以有效提高天線的圓極化性能。而采用L型饋電結(jié)構(gòu)可以有效改善天線的阻抗匹配。天線的仿真和測試結(jié)果良好匹配，證明了本設(shè)計(jì)的有效性。天線可有效工作于 2.6～5.4GHz頻段，可以滿足 WiFi和WiMax等寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的使用需求。

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