一種耦合饋電的雙頻圓極化縫隙天線的設計

王小毅，楊國敏，石藝尉

(復旦大學電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海200433)

通信系統(tǒng)的發(fā)展帶來了天線行業(yè)的勃勃生機.在眾多的天線類型中，微帶天線已成為當前研究的前沿之一，具有重要的研究意義與廣泛的實用前景.特別是微帶縫隙天線，以其重量輕，剖面薄，平面結構，易與載體共形，饋電結構可與天線結構一起制成等優(yōu)點已經(jīng)引起天線設計者的廣泛關注，且在無線通信領域得到了廣泛的應用［1-5］.隨著全球定位系統(tǒng)在全球的快速發(fā)展，中國的北斗導航逐漸發(fā)展和完善，微帶天線在衛(wèi)星通信及衛(wèi)星導航領域也得到廣泛使用.圓極化天線具有能夠接收任意線極化的來波的特性，同時其輻射波可以被任意線極化天線接收.因此在多頻段衛(wèi)星導航技術中，可同時接收多個頻段信號的多頻圓極化微帶衛(wèi)星接收天線也得到了越來越廣泛的關注［6-10］.

已有的研究結果表明，通過對微帶天線進行切角、開槽、正交雙饋及使用多個線極化輻射元，調(diào)節(jié)各個單元相對位置等方法，可以實現(xiàn)天線的圓極化特性.大多數(shù)的雙頻圓極化天線則是通過雙饋、寄生單元耦合，增加集總元件等形式實現(xiàn)的［11-18］，如文獻［14］通過二極管開關實現(xiàn)了雙頻圓極化的設計;文獻［15］則是通過雙端口的饋電網(wǎng)絡實現(xiàn)天線的雙頻圓極化;文獻［16］則是利用多層結構的設計，通過激勵端對寄生單元耦合饋電實現(xiàn)了天線雙頻圓極化的特性.然而這些天線通常結構較為復雜，需要饋電網(wǎng)絡或者增加寄生層，從而增加了天線制造成本.

本文設計了一種采用微帶線耦合饋電的雙頻帶圓極化縫隙微帶天線.該天線充分利用了開槽縫隙實現(xiàn)了雙頻帶圓極化.天線的諧振頻點和圓極化可以通過調(diào)節(jié)4個長短不等的縫隙臂及中心正方形環(huán)狀縫隙的大小實現(xiàn).該天線具有相對較寬的阻抗匹配帶寬和圓極化帶寬，右旋圓極化和左旋圓極化分別在低頻段和高頻段同時實現(xiàn).整個天線結構簡單、體積較小、成本較低，便于加工，適用于室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，衛(wèi)星導航等領域.

1 天線結構

天線結構如圖1(a)所示，該微帶縫隙天線正面由1個正方形環(huán)狀縫隙和4個長度不等且成正交結構的縫隙臂組成.正方形環(huán)的內(nèi)外環(huán)邊長分別為a和b.4個長短不等的縫隙臂依次為L1，L2，L3和L4，縫隙寬度均為0.5 mm.整個天線地面為一個正方形，其邊長為W.天線背面為一根居中的50歐姆的微帶線，微帶線的末端接一個和正面相同的正方形貼片用以提高天線的阻抗匹配，如圖1(b)所示.微帶饋線與天線之間為一層厚度為1.6 mm的FR-4介質(zhì)板，介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.2，損耗為0.02，如圖1(c)所示.饋線與天線通過耦合進行饋電.4條縫隙臂分別與微帶饋線成45°、135°、225°和315°夾角.

圖1 微帶縫隙天線的幾何結構Fig.1 Structure of the proposed antenna

傳統(tǒng)的矩形環(huán)狀微帶縫隙貼片天線中，天線的諧振頻率由矩形環(huán)的內(nèi)外徑邊長a和b的大小決定，其值可近似為:

其中，c0表示光速，εe表示介質(zhì)板等效介電常數(shù).在該天線設計中，為了同時實現(xiàn)天線的雙頻諧振，在正方形環(huán)上引入了L1和L2來增加不同的表面電流路徑.天線的低頻諧振頻率由正方形環(huán)狀縫隙的尺寸及L1的長度來決定.正方形環(huán)越大，L1越長，低頻諧振頻率就越低.而高頻諧振頻率則取決于正方形環(huán)狀縫隙的尺寸及L2的長度.通過調(diào)節(jié)L3和L4的長度可以實現(xiàn)正交的電場，實現(xiàn)天線的雙頻圓極化.

為了實現(xiàn)較好的圓極化性能及阻抗匹配，在天線設計中L1和L3的長度相差大約為低頻段中心頻率波長的1/8倍，且當L1＞L3時，天線的極化特性為右旋圓極化.類似的，L2和L4的長度相差大約為高頻段中心頻率波長的1/8倍，且當L2＜L4時，天線的極化特性為左旋圓極化.所以通過調(diào)節(jié)4個不同的縫隙臂的長度即可同時實現(xiàn)天線的雙頻圓極化特性.

2 天線的仿真與測量

本文中使用IE3D電磁仿真軟件，通過調(diào)節(jié)優(yōu)化上述天線尺寸，對天線進行了仿真設計.天線尺寸如表1所示.通過仿真實現(xiàn)了天線在1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz的雙頻帶圓極化諧振，并具有良好的工作帶寬和輻射特性，其中低頻帶為右旋圓極化，高頻帶為左旋圓極化.根據(jù)優(yōu)化結果，對仿真的天線進行了樣品加工，如圖2所示，并對樣品天線進行了測量.

圖3是天線的反射系數(shù)仿真與測試結果曲線，測試使用的是Agilent E8364C網(wǎng)絡分析儀.從圖3可以看出，天線在1.220～1.539 GHz和2.740～3.047 GHz兩個頻帶反射系數(shù)都小于 －10 dB，天線在這兩個頻帶具有較好的阻抗匹配.其中低頻帶阻抗匹配帶寬為22.1%，高頻帶阻抗匹配帶寬為10.7%.

圖4是天線的軸比(Axial Ratio，AR)特性仿真與測量曲線.從圖4可以看出天線在1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz兩個頻段的軸比都在3 dB以下，實現(xiàn)了較好的圓極化性能，其中低頻帶圓極化帶寬為6.2%，高頻帶圓極化帶寬為2.3%.圖5是天線的輻射特性方向圖，天線在1.44 GHz為右旋圓極化，最大增益為3.2 dBi;在2.86 GHz為左旋圓極化，最大增益為3.1 dBi.天線的主瓣輻射方向和天線輻射面方向略有偏差，這主要是由于天線縫隙臂長度不完全對稱引起的.

表1 天線尺寸表Tab.1 Dimensions of the proposed antenna

圖2 樣品天線實物圖Fig.2 Photograph of the proposed antenna

圖3 天線反射系數(shù)仿真曲線Fig.3 Simulated and measured|S11|of the proposed antenna

圖4 天線軸比仿真與測量結果Fig.4 Simulated and measured axial ratio results of the proposed antenna

圖5 天線在1.445 GHz及2.860 GHz的輻射方向圖Fig.5 Simulated and measured radiating patterns at 1.445 GHz and 2.860 GHz

3 結論

本文設計了一種結構簡單的雙頻圓極化微帶縫隙天線.通過正方形環(huán)狀縫隙結構和4條不同的縫隙臂實現(xiàn)了1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz兩個頻帶的阻抗匹配和圓極化性能，其中低頻帶為右旋圓極化，高頻帶為左旋圓極化，兩個頻帶的最大增益均大于3 dBi.該天線尺寸較小，結構簡單，易于加工且具有良好的工作帶寬及雙頻圓極化特性，可以應用于無線傳播系統(tǒng)及衛(wèi)星導航等領域.

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