十字形縫隙加載圓極化三角形貼片天線設(shè)計

楊 放，衛(wèi)銘斐，王 民，王 純，周軍妮

（西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，陜西 西安 710055）

微帶貼片天線是上世紀50年代問世的。由于微帶貼片天線具有很多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、成本低、剖面薄、重量輕、易與加工及批量生產(chǎn)、易于與載體共形及與微波有源電路集成，因此，自問世以來一直備受關(guān)注。圓極化天線在很多方面優(yōu)于線極化天線，因此圓極化微帶貼片天線的設(shè)計是天線設(shè)計領(lǐng)域研究的熱點。

對于單點同軸線饋電的微帶貼片天線，實現(xiàn)圓極化的方法主要有：貼片對角線切角、在貼片上加載不等長的縫隙、對角線饋電近似正方形微帶貼片、分形邊界的貼片等。這些方法本質(zhì)上都是通過形成兩個幅度相等，相位差為90度的正交模式來實現(xiàn)圓極化的[1-6]?，F(xiàn)有文獻中對方形和圓形的貼片天線實現(xiàn)圓極化的研究較多，而關(guān)于圓極化三角形微帶貼片天線報道不多[7-9]?？偨Y(jié)現(xiàn)有文獻中單點饋電圓極化微帶貼片天線的設(shè)計方法，主要存在以下問題：頻帶較窄，不容易準確調(diào)節(jié)天線的圓極化諧振頻率；為了實現(xiàn)圓極化，對天線縫隙尺寸的制造公差要求高。

除了在微帶貼片上刻槽能實現(xiàn)圓極化，在方形微帶貼片天線的接地板上刻方形或者圓形槽也能實現(xiàn)圓極化[10-12]。貼片上刻十字形槽可以有效降低諧振頻率，實現(xiàn)天線小型化[1，9]?；诖?，本文提出在三角形微帶貼片天線的貼片上和接地板上各刻一個同尺寸的十字形槽，通過調(diào)節(jié)十字形槽的尺寸和位置來實現(xiàn)尺寸縮減和圓極化。本文提出保持十字形槽的尺寸和三角形貼片邊長的比值為0.25時獲得圓極化的方法。同時，可以通過改變輻射貼片上槽的大小改變電流的路徑調(diào)節(jié)天線的圓極化諧振頻率。本文提出的方法解決了單點饋電圓極化微帶貼片天線設(shè)計中存在的一些問題。

1 天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)

十字形縫隙加載圓極化等邊三角形微帶貼片天線及所建立的坐標系如圖1所示。介質(zhì)基片選擇厚度為1.6 mm的FR4環(huán)氧樹脂板，其相對介電常數(shù)為4.4。天線的饋電方式為50歐同軸線單點饋電，天線的饋電點位置在點F（-4.24，-4.24）。天線的總尺寸為50 mm*50 mm*1.6 mm，等邊三角形貼片的邊長D=40 mm。在圖1（b）中，在貼片的中心加載一個邊長為l1=10 mm的十字形槽來增大電流路徑從而降低諧振頻率，獲得天線的小型化。在接地板上嵌入另一個邊長l2=10 mm的十字形縫隙實現(xiàn)圓極化和小型化。在設(shè)計過程中縫隙寬度保持在2.5 mm。仿真結(jié)果表明，當接地板上的十字形槽在y軸上并距離坐標原點d=17 mm時可獲得圓極化。

2 仿真結(jié)果及討論

圖1 十字形縫隙加載微帶貼片天線Fig.1 Equilateral triangle microstrip patch antenna with cross slot

本文采用ANSYS公司的電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真分析。圖2為天線的回波損耗及Smith圓圖。可見，在2.246 GHz時回波損耗S11<-20 dB，天線與傳輸線獲得良好的匹配。圖3為天線貼片和接地板上的電流分布。由電流分布可見，十字形縫隙延長了貼片及接地板上的電流路徑，電流分布在十字形槽的附近，從而實現(xiàn)了圓極化及天線的尺寸縮減。圖4為天線在φ=0平面的增益方向圖，天線的軸向增益為1.8 dB。圖5給出了天線軸向增益和軸比隨頻率的變化曲線?？梢?，天線的阻抗和圓極化帶寬分別為85 MHz（3.8%）和 22 MHz（1%）。因此，當縫隙尺寸與貼片邊長之比為0.25時，可以獲得圓極化輻射。改變貼片上縫隙的大小l2可以改變天線的圓極化諧振頻率。減小l2，天線的諧振頻率增大，而圓極化特性變化不大，如圖6所示。

圖2 回波損耗和Smith圓圖Fig.2 Return loss and Smith chart

3 結(jié) 論

本文提出了一種小型化圓極化三角形微帶貼片天線簡便有效的設(shè)計方法。在貼片和接地板上刻十字形槽來實現(xiàn)圓極化和小型化。當兩個十字形槽的尺寸為貼片邊長的0.25倍時，可以獲得圓極化輻射。HFSS仿真結(jié)果驗證了方法的正確性和有效性。本文的仿真結(jié)果為圓極化微帶貼片天線的設(shè)計提供了一定的理論參考。

圖4 天線增益方向圖Fig.4 Power gain pattern

圖5 增益和軸比隨頻率的變化Fig.5 Variations of axial ratio and gain with frequency

圖6 軸比隨l2變化Fig.6 Axial ratio with different l2

[1]Nasimuddin，Zhi Ning Chen，Xianming Qing.A compact circularly polarized cross-shaped slotted microstrip antenna[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagation，2012，60 （3）:1584-1588.

[2]Han T Y，Sim C Y D.Probe-feed circularly polarized squarering microstrip antennas with thick substrate[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2007，21（1）:71-80.

[3]Kai Fong Lee，Kwai Man Luk，Wing Chi Mok，et al.Single probe-fed circularly polarized patch antennas with U-slots[J].Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（6）:1245-1253.

[4]Nasimuddin，Xianming Qing，Zhi Ning Chen.Compact asymmetric-slit microstrip antenna for circular polarization[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2011，59 （1）:285-288.

[5]Nageswara Rao P，Srma N V S N.Compact single feed circularly polarized fractal boundary microstrip antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2010，52 （1）:141-147.

[6]Kai-Ping Yang，Kin-Lu Wong.Dual-band circularly-polarized square microstrip antenna[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2011，49（3）:377-382.

[7]Jieh-Sen，Gui-Bin Hsieh.Gain enhancement of a circularly polarized equilateral-triangular microstrip antenna with a slotted ground plane[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2003，51（7）:1652-1656.

[8]Youngje Sung.Investigation into the polarization of asymmetrical-feed triangular microstrip antennas and its application to reconfigurable antennas[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2000，58（4）:1039-1046.

[9]Jui-Han Lu，Chia-Luan，Kin-Lu Wong.Single-feed slotted equilateral-triangular microstrip antenna for circular polarization[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation，1999，47（7）:1174-1178.

[10]Sim C Y D，Han T Y，Yang B H.A microstrip antenna design with multislots embedded into the ground plane for circular polarization[J].International Journal of RF and Computer-aided Engineering，2013，23（1）:13-19.

[11]Sim C Y D.A dual-slot mircostrip antenna for GPS applications[J].International journal of RF and Computer-Aided Engineering，2012，22（2）:243-247.

[12]Randy O T，Nasimuddin，Alphones A.Circularly polarized slotted-ground microstrip antennas for radio frequency identification readers[J].Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（10）:2304-2309.