寬帶圓極化犄角形縫隙天線設(shè)計(jì)

房浩宇，孫如英＊，周寶安

（臨沂大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

寬帶圓極化犄角形縫隙天線設(shè)計(jì)

房浩宇，孫如英＊，周寶安

（臨沂大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

文章設(shè)計(jì)了一款寬帶圓極化縫隙天線。該天線采用微帶線激勵(lì)犄角形縫隙，實(shí)現(xiàn)了寬帶輻射特性。研究結(jié)果表明，該天線具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能，其阻抗帶寬（S11＜ –10 dB）為24.8% （2.2～2.82 GHz），3-dB軸比帶寬為29.2% （2.13～2.86 GHz）。

圓極化；寬帶天線；縫隙天線；軸比帶寬；阻抗帶寬

1 現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展背景

現(xiàn)代通信系統(tǒng)正向大容量、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，無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）和無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networking，WLAN）等方面的應(yīng)用越來(lái)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(duì)天線傳輸信號(hào)穩(wěn)定性的需求。圓極化天線由于可接收任意極化的來(lái)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[1]。

微帶縫隙天線由于對(duì)加工精度要求低，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)制作在敷銅電路板上，并且工作頻帶較寬，普遍應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)、電子對(duì)抗和無(wú)線通信等領(lǐng)域。微帶縫隙天線一般采用寬縫結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬的阻抗帶寬，通過(guò)微帶線或共面波導(dǎo)（Coplanar Waveguide，CPW）進(jìn)行饋電，具有比微帶天線相對(duì)更寬的帶寬。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面做了許多的研究，而且已經(jīng)有了不少的研究成果。文獻(xiàn)[2]利用微帶縫隙并在縫隙內(nèi)引入微擾實(shí)現(xiàn)天線的圓極化性能，使這種圓極化縫隙天線的3-dB軸比帶寬可以達(dá)到8.5%；文獻(xiàn)[3]中采用環(huán)形縫隙并通過(guò)微帶線饋電實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化性能，并且使天線的3-dB軸比帶寬提高到了11%；文獻(xiàn)[4]采用微帶饋線饋電，使得在接地板上開(kāi)的環(huán)形縫隙能夠與諧振元件相互作用實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化性能。文獻(xiàn)[5]采用共面波導(dǎo)饋電正方形縫隙，并在縫隙中引出相互連接的橢圓形金屬片，設(shè)計(jì)一種新型的圓極化縫隙天線，阻抗帶寬和圓極化帶寬分別達(dá)到了15.5%和10.4%。文獻(xiàn)[6]使用CPW進(jìn)行饋電，通過(guò)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。

本文設(shè)計(jì)了一款犄角形縫隙寬帶圓極化天線。該天線具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能，阻抗帶寬為24.8%（2.2～2.82 GHz），3-dB 軸比帶寬為29.2%（2.13～2.86 GHz），其工作頻段除了中國(guó)移動(dòng)的1 880～1 900 MHz外，還覆蓋了三大運(yùn)營(yíng)商2.32～2.655 GHz之間的6個(gè)頻段。

2 天線結(jié)構(gòu)

在相對(duì)介電常數(shù)εr =4.4，厚度為1.5 mm的FR4基片上構(gòu)建如圖1所示的縫隙天線。關(guān)于所有阻抗匹配和圓極化性能的研究都是通過(guò)ANSYS HFSS 14.0實(shí)現(xiàn)的，天線的關(guān)鍵參數(shù)是以S11和AR性能為優(yōu)化目標(biāo)得到的。具體的天線幾何參數(shù)為L(zhǎng)=56 mm，R=42.8 mm，d1=7.6 mm和d2=32 mm，d3=5.3 mm。

3 仿真與測(cè)試結(jié)果

該天線的設(shè)計(jì)中心工作頻率為2.5 GHz，天線實(shí)物照片如圖2所示。天線的阻抗特性由Agilent 8 722 ES網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得，反射系數(shù)（S11）的測(cè)量值與仿真結(jié)果的比較如圖3所示?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)和仿真曲線在帶寬上基本吻合。天線展示出良好的阻抗匹配特性，其仿真的阻抗帶寬為24.8%（2.2～2.82 GHz），實(shí)測(cè)阻抗帶寬（S11＜–10dB）達(dá)26%（2.27～2.92 GHz）。天線的軸向的Axial Ratio（θ=0°）隨頻率的變化關(guān)系如圖3所示，3-dB 軸比帶寬從2.13～2.86 GH z，覆蓋29.2%，軸比帶寬良好。

圖1 寬帶圓極化犄角縫隙天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 寬帶圓極化犄角縫隙天線實(shí)物

圖3 仿真與測(cè)試的S11曲線

圖4是天線工作在中心頻率2.5 GHz 時(shí)的輻射方向圖。如圖5—6所示，天線在視軸方向?yàn)橛倚龍A極化（RHCP）波，而在相反的方向同時(shí)輻射左手圓極化（LHCP）波。天線增益仿真曲線如圖7所示，最佳增益可達(dá)到4.19 dB，且在整個(gè)工作頻帶內(nèi)增益平坦。

圖4 軸比的仿真曲線

圖5 xoz面上的左旋右旋圓極化方向

圖6 yoz面上的左旋右旋圓極化方向

圖7 天線增益仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款犄角形縫隙寬帶圓極化天線。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能，能覆蓋ISO/IEC 18000-4 協(xié)議規(guī)定的RFID 的頻率范圍，適合小型化閱讀器使用，在RFID領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]HAN R C, ZHONG S S.Broadband circularly polarised dielectric resonator antenna fed by wide band switched line coupler[J]. Electronics Letters, 2014（10）：725-726.

[2]WOJCIECH J, KRZYSZTOFIK. CP-microstrip copanar patch antenna for satellite reception[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2008（2）：372-375.

[3]SU C W, ROW J S. Slot-coupled micro-strip antenna for broad band circular polarization[J].Electronics Letters, 2006（6）：318-319.

[4]FENG P, TUAN Y, TSAIR R C. Compactslot-coupledmicrostripantennaswithcircularpolarization[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005（1）：57-59.

[5]楊斌.寬帶圓極化與極化可重構(gòu)縫隙天線設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[6]JEERA G, CHATREE M, PRAYOOT A. A wide band circular polarization antenna with tuning rectangular slot fed by CPW[C]. France：IEEE 9th Conference on Echanges et Consultations Techniques Internationaux, 2012.

Research on broadband circularly-polarized chifre-shaped slot antenna

Fang Haoyu, Sun Ruying*, Zhou Baoan

（Physics and Electronic Engineering School of Linyi University, Linyi 276000, China）

A broadband circularly-polarized slot antenna is designed in this paper. The broadband property of the antenna is basically achieved by the chifre-shaped slot radiator fed with microstrip line. The antenna delivers good performance on impedance matching and circular polarisation, its impedance bandwidth （S11＜ –10 dB） is of 24.8% （2.2—2.82 GHz）and 3-dB axial-ratio bandwidth is of 29.2%（2.13—2.86 GHz）.

circular polarization; broadband antenna; slot antenna; axial ratio bandwidth; impedance bandwidth

臨沂大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：201510452136。

房浩宇（1997— ），男，山東臨沂。

＊通信作者：孫如英（1981— ），女，山東臨沂，講師；研究方向：微波電路與系統(tǒng)，天線理論與技術(shù)。