圓極化方形環(huán)縫隙天線的設計

邢亞龍， 高 蕓， 韓麗萍

(山西大學 物理電子工程學院， 山西太原 030006)

圓極化方形環(huán)縫隙天線的設計

邢亞龍， 高 蕓， 韓麗萍

(山西大學 物理電子工程學院， 山西太原 030006)

本文提出了一個圓極化方形環(huán)縫隙天線. 通過在天線饋線層引入一個C型寄生單元， 使其在環(huán)形縫隙的對角處產(chǎn)生微擾， 將天線的基模分解成兩個幅度相同且相位差為90°的簡并模， 從而激發(fā)圓極化輻射. 天線的總尺寸為40 mm×40 mm×1.6 mm. 仿真和測量結(jié)果表明： 天線具有良好的輻射性能. 天線的阻抗帶寬為22% (2.46～3.07 GHz)， 軸比帶寬為2.2% (2.67～2.73 GHz).

縫隙天線； 圓極化； 寄生單元； 阻抗帶寬； 軸比

0 引 言

隨著無線通信的迅速發(fā)展， 通信系統(tǒng)對天線的要求越來越高. 縫隙天線擁有結(jié)構(gòu)簡單， 輻射效率高等優(yōu)點[1]. 相較于普通的微帶貼片天線， 縫隙天線有更寬的阻抗帶寬和軸比帶寬[2]， 小的制作誤差對性能影響不是很敏感， 重要的是容易與無線通信系統(tǒng)終端集成[3]. 環(huán)形縫隙天線的電磁輻射場符合巴比特互補原則[4]， 可以有效降低天線總尺寸. 圓極化天線擁有可降低多徑效應等特點， 可以在全平面內(nèi)實現(xiàn)信號的傳輸， 而線極化天線只能在一個平面內(nèi)進行傳輸[5]. 為了提高通信質(zhì)量， 圓極化天線在無線通信、 雷達系統(tǒng)以及導航系統(tǒng)等領域得到了普遍的應用. 典型的圓極化天線是通過使用對稱或者非對稱的切角或微帶擾動單元來得到幅度相同且相位差為90°的兩個正交線極化模式來實現(xiàn)的[6]. 使用縫隙天線實現(xiàn)圓極化輻射則是近年來一個研究熱點， C. J. Wang等人利用開路縫隙實現(xiàn)雙頻圓極化縫隙天線[7]； J. H. Lu等人利用C型和倒L型縫隙形實現(xiàn)了小型化圓極化縫隙天線[8].

本文設計了一種圓極化方形環(huán)縫隙天線. 通過在饋線層加入一個C型寄生單元， 改變環(huán)形縫隙周圍的電流分布使其產(chǎn)生微擾， 最終激發(fā)了圓極化輻射. 同時， 環(huán)形縫隙的使用也減小了天線的尺寸. 實測的阻抗帶寬為22% (2.45～3.07 GHz)， 軸比帶寬為2.2% (2.67～2.73 GHz).

1 天線設計

本文設計的天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 天線包括3層， 上層是50 Ω微帶饋線和C型寄生單元， 中間是介質(zhì)基板， 下層為正方環(huán)形縫隙. C型結(jié)構(gòu)的寄生單元影響了環(huán)形縫隙周圍的電流分布， 使天線在x方向與y方向產(chǎn)生兩個相位差為90°的正交線極化模式， 從而激發(fā)圓極化輻射. 選用相對介電常數(shù)為4.4， 損耗正切角為0.02， 厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)基板. 利用三維電磁仿真軟件HFSS進行仿真分析， 優(yōu)化的參數(shù)為:W=L=40 mm,h=1.6 mm,lf=20 mm,l1=8.5 mm,l2=l3=24 mm,l4=10 mm,ls=21 mm,ws=2 mm,wf=3 mm,w=1.5 mm.

圖 1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of antenna

為了說明天線產(chǎn)生圓極化輻射的原理， 對天線縫隙周圍的電流分布做了研究. 圖 2 給出了天線頻率在2.65 GHz， 相位分別為0°， 90°， 180°， 270°時的電流分布圖. 從圖2中可以看出， 天線在環(huán)形縫隙周圍的x方向和y方向產(chǎn)生兩個相位差為90°的正交線極化模式， 并且電流隨著相位的增加順時針旋轉(zhuǎn)， 形成了左旋極化.

圖 2 2.65 GHz電流分布.Fig.2 Current distribution of antenna at 2.65 GHz

2 參數(shù)分析

通過對天線進行敏感性分析， 正方環(huán)型縫隙的長度ls以及寄生單元的臂長l4是影響天線性能的主要因素. 為了便于結(jié)果分析， 在考察每個參數(shù)的影響時， 保持其他參數(shù)不變. 圖 3 是ls對天線反射系數(shù)及軸比的影響曲線圖. 由圖可見， 隨著ls的增加， 天線的諧振頻率向高頻偏移， 且阻抗帶寬會變窄. 當ls=21 mm時， 軸比帶寬達到最大. 圖 4 是l4對天線反射系數(shù)及軸比的影響曲線圖. 由圖可見， 隨著l4的增加， 天線的諧振頻率會向低頻移動， 軸比最低點也向低頻移動.

圖 3 ls對天線性能的影響 Fig.3 Effect of ls on antenna performance

圖 4 l4對天線性能的影響 Fig.4 Effect of l4 on antenna performance

3 仿真和實測結(jié)果

天線印制在介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上， 圖 5 為天線的實物圖. 采用Agilent公司N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀測量天線的反射系數(shù)， 采用Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統(tǒng)測量天線的軸比.

圖 6 為天線的增益仿真圖， 峰值增益為2.0 dBi. 圖 7， 圖 8 分別為天線的反射系數(shù)和軸比的實測和仿真圖. 從幾個圖上看， 實測的數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢基本相同， 但實測的阻抗帶寬和軸比帶寬整體向高頻偏移. 實測的阻抗帶寬為22% (2.46～3.07 GHz)， 軸比帶寬為2.2% (2.67～2.73 GHz). 產(chǎn)生的差異主要原因是實際制作的FR4材料的相對介電常數(shù)偏小以及加工過程中不精確導致. 圖 9 為天線在xoz與yoz平面方向圖， 從圖9中可以看出天線具有良好的方向性.

圖 5 天線實物圖Fig.5 Photos of antenna

圖 6 天線仿真增益Fig.6 Simulation gain of antenna

圖 8 仿真和測量的軸比 Fig.8 Simulated and measured axial ratio

圖 9 2.65 GHz的輻射方向圖Fig.9 Simulated radiation patterns of the antenna at 2.65 GHz

4 結(jié) 論

本文設計了一個圓極化方形環(huán)縫線天線. 為了實現(xiàn)圓極化， 天線使用方形環(huán)縫隙， 并且在饋電層上加入了一個C型寄生單元， 使天線的基模分解成兩個正交的簡并模， 從而激發(fā)了圓極化輻射. 該天線具有成本低， 結(jié)構(gòu)簡單， 容易加工等特點. 實測結(jié)果表明： 天線具有較好的性能， 可以滿足各種通信系統(tǒng)的應用.

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聲 明

本刊已許可中國學術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社在中國知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中，以數(shù)字化方式復制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡傳播本刊全文。該社著作權(quán)使用費與本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意我編輯部上述聲明。

Design of Circularly Polarized Square-Ring Slot Antenna

XING Yalong, GAO Yun, HAN Liping

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

In this paper, a circularly polarized square-ring slot antenna is proposed. AC-shaped parasitic element is introduced In the feed line layer, and the miniature miniature perturbations on the diagonal of the slot are generated, which can split the fundamental mode into two degenerate resonant modes with equal amplitudes and 90° phase-difference for CP performance. In which the radiation of circularly polarization is excited, the total size of antenna is 40mm×40mm×1.6mm. The simulated and measured results show that good radiation performance has been achieved. The impedance bandwidth of the antenna is 22% (2.45～3.07 GHz), and the 3 dB axial ratio bandwidth is 2.2% (2.67～2.73 GHz).

slot antenna; circularly polarization; parasitic element; impedance bandwidth; axial ratio

1671-7449(2017)01-0064-05

2016-09-27

國家自然科學基金資助項目(61172045)； 國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助項目(J1210036)； 山西省自然科學基金資助項目(2012011013-3)

邢亞龍(1990-)， 男， 碩士， 主要從事微帶天線的研究.

TN821+.3

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.011