一種新型的低剖面雙極化天線

武警工程大學(xué)信息工程系　劉子豪　朱永忠　周　建

一種新型的低剖面雙極化天線

武警工程大學(xué)信息工程系劉子豪朱永忠周建

現(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展對雙極化天線提出了許多新的要求。該文基于兩個(gè)正方形輻射貼片，采用雙線饋電的方式實(shí)現(xiàn)了一款用于2.4G頻率的雙端口的雙極化天線，該天線的最大增益能達(dá)到11dB，并且兩個(gè)端口對應(yīng)兩個(gè)極化方向是互相垂直。結(jié)果表明，本文提出的天線結(jié)構(gòu)確實(shí)取得了很好的隔離。而且，該天線僅采用PEC作為設(shè)計(jì)材料，易于加工，低剖面，成本極低，對于商業(yè)應(yīng)用是很有吸引力的。

低剖面；雙極化；矩形貼片天線

1　引言

現(xiàn)代的無線通信系統(tǒng)要求更高的傳輸速度和可靠性。其中一種有效的方法就是利用雙極化天線進(jìn)行通信傳輸［1］。這種天線能夠以兩條不同且互不干擾的路徑來傳輸信息，從而實(shí)現(xiàn)頻譜復(fù)用。雙極化天線具有很強(qiáng)的抗干擾性。雙極化天線一般是由兩個(gè)端口來產(chǎn)生不同的極化方向。然而，要實(shí)現(xiàn)極化方式之間的高隔離度和低交叉極化是設(shè)計(jì)雙極化天線的瓶頸。如果雙極化天線兩個(gè)端口之間的隔離度達(dá)不到要求，從一個(gè)端口輸入的信號就有一部分會(huì)直接從另一個(gè)端口反射回來，這樣天線的效率就會(huì)變低，甚至導(dǎo)致天線不能使用［2］。

為了提高雙極化天線兩端口之間隔離度，目前已經(jīng)有不少文獻(xiàn)提出了不同的方法。例如，采用不同的耦合饋電方式［3］：口徑耦合，探頭直接或耦合饋電，或者兩者的混合耦合饋電。在本文中，僅采用PEC材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用兩個(gè)不同的饋電方式來對兩個(gè)端口進(jìn)行隔離，具有低成本、低剖面的優(yōu)點(diǎn)。并且，從結(jié)果來看，此種隔離方法有良好的隔離特性。

2　天線的分析與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線主要以一塊矩形貼片作為地板，采用了兩個(gè)正方形貼片作為輻射源。為了使兩個(gè)饋電端口的極化方向不同，天線兩個(gè)采用了不同的饋電方式。兩個(gè)饋線連接在矩形貼片的兩條相鄰的邊上。并在饋線上使用了適當(dāng)?shù)膹澱劢Y(jié)構(gòu)來使天線小型化。

圖1　雙極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的天線主要采用了兩個(gè)矩形貼片。為了使兩個(gè)端口的輻射頻率一致，把矩形兩邊長設(shè)為等長。并且，為了使在同一端口饋電下兩輻射源的極化方向一樣，端口1的饋線采用對稱的彎折結(jié)構(gòu)，而用端口2饋電時(shí)，其中一個(gè)饋線增加了“C”型饋線，目的是使得電波多旋轉(zhuǎn)了180°，與另一個(gè)輻射源的極化方向一致。因此，在水平極化下，兩者的饋電方式是一樣的；而在垂直極化時(shí)，下方的饋電方式多旋轉(zhuǎn)了180°。中間是空氣介質(zhì)。為了縮減天線的尺寸，在貼片正中央加入了短路針，各尺寸如表1所示。兩個(gè)端口均采用50Ω作為輸入阻抗。兩層PEC材料厚度均為1mm。

表1　雙極化天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

圖2所示是兩個(gè)端口的回波損耗和兩個(gè)端口之間的隔離度。由圖可以看出，端口1的阻抗帶寬為2.41-2.63G，端口2的阻抗帶寬為2.45-2.55G，在帶寬范圍內(nèi)兩個(gè)端口之間的隔離度小于-30dB。圖5、6分別是端口1、2在中心頻率2.5G仿真和實(shí)測的方向圖。由此圖也可以看出，實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證的該模型的可用性。

圖2　兩端口的回波損耗和之間的隔離度的仿真和實(shí)測圖

3　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并制作了一款應(yīng)用于2.5G頻率的雙極化天線，輻射單元采用了矩形貼片，整體制作只采用了PEC材料，成本極低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，最高增益達(dá)到了11dB。實(shí)測與仿真的結(jié)果大致吻合，說明了這種天線設(shè)計(jì)合理，具有較高的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

［1］王紅星，劉錫國，劉敏.一種新型低剖面、雙頻、雙極化寬頻帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2006，06：40-44.

［2］梁仙靈，鐘順時(shí)，汪偉.高隔離度雙極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，05：731-734+755.

［3］Deng Changjiang，Li Yue，Zhang Zhijun，F(xiàn)eng Zhenghe.A Wideband High-Isolated Dual-Polarized Patch Antenna Using Two Different Balun Feedings［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：1617-1619.