雙頻帶圓極化微帶陣列天線設(shè)計*

胡金艷，楊 君， 秦文華，趙建平，徐 娟

（曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165）

0 引 言

與線極化天線相比，圓極化天線有幾個重要的優(yōu)勢：對抗多徑干擾或衰落﹑減少電離層的“法拉第旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)和降低極化失配。因此，圓極化天線成為各種無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如衛(wèi)星通信﹑移動通信﹑全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（G NSS）﹑無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WNS）﹑射頻識別（RFID）﹑無線局域網(wǎng)（WLAN）﹑無線個域網(wǎng)（WPAN）以及直接廣播服務(wù)（DBS）電視接收系統(tǒng)等。圓極化波產(chǎn)生的關(guān)鍵是通過饋電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩個方向正交﹑幅度相等﹑相位差90°的線極化波。實現(xiàn)天線圓極化的常用方法有單饋法﹑多饋法和多元法[1]。單饋法基于空腔模理論，通過引入幾何微擾

激勵出簡并模分離單元[2]，通過破壞模式的平衡性來實現(xiàn)圓極化，如切角﹑表面開槽等。多饋法是在多個饋電點處形成電場幅度相等﹑相互正交﹑相位相差90°的線極化波，然后各個線極化波同時工作，電場矢量相互疊加來實現(xiàn)圓極化輻射。與單饋法相比，多饋法可提高阻抗帶寬和軸比帶寬。多元法與多饋法相似，使用多個線極化輻射單元，每一個饋電點分別對一個輻射元進行饋電，通過對單元天線位置的合理安排達到輻射圓極化波。與多饋法相比，多元法沒有復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，增益高。

通信過程中，如果傳播環(huán)境比較惡劣，微波信號會發(fā)生多普勒頻移和深度衰落，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。采用頻率分集技術(shù)設(shè)計的雙頻天線能夠擴充通信容量，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使天線同時在收﹑發(fā)兩個頻段工作。因此，雙頻圓極化天線不但實現(xiàn)了收發(fā)天線一體，還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

微帶天線實現(xiàn)雙頻的方法主要有單貼片法和多貼片法[3]。多貼片法是利用諧振頻率不同的多個貼片來工作。大貼片代表小的諧振頻率，小貼片代表大的諧振頻率。設(shè)計天線時，一般將小貼片疊在大貼片上。單貼片法是只有一個貼片，通過貼片的不同模式進行工作。文獻[4-5]采用雙層微帶貼片堆疊結(jié)構(gòu)，引入不同諧振頻率的圓極化輻射單元，實現(xiàn)了雙頻工作。文獻[6-7]采用單貼片微帶結(jié)構(gòu)，利用幾種不同的自然模式實現(xiàn)雙頻。但是，多貼片法和傳統(tǒng)的單貼片法設(shè)計的雙頻天線體積大﹑剖面高，在很多設(shè)備中并不適用。而采用旋轉(zhuǎn)饋電法[8]不僅能夠減小天線尺寸，還能提高天線增益。

為了使天線形成雙頻圓極化輻射，提高天線增益，降低天線復(fù)雜度，減小天線體積，本文通過旋轉(zhuǎn)饋電的方法設(shè)計了一種雙頻圓極化天線。通過三維電磁仿真軟件進行仿真和參數(shù)優(yōu)化，最終能在兩個頻段上實現(xiàn)雙頻分工。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 天線結(jié)構(gòu)及尺寸

設(shè)計的雙頻圓極化天線結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖，如圖1所示。貼片位于單層基板上，基板采用Roger 5880，介電常數(shù)εr=2.2，厚度h=3.175 mm。天線中心為矩形金屬環(huán)，金屬環(huán)周邊的四個貼片依次旋轉(zhuǎn)90°排列，并通過四個微帶線與金屬環(huán)相連。其中，微帶貼片單元采用對角線切角設(shè)計。金屬環(huán)內(nèi)由一個L型支路，其中一條支路開一個通孔，為陣列進行饋電。天線經(jīng)過三維電磁仿真軟件進行仿真優(yōu)化，得到該陣列天線各尺寸參數(shù)值，見表1。

圖1 陣列天線結(jié)構(gòu)及尺寸

表1 陣列天線各尺寸參數(shù)值

1.2 天線的工作原理

常用的減小天線尺寸的技術(shù)是調(diào)整貼片的形狀。對于單饋式圓極化貼片天線，可以使用長方形﹑近似的正方形環(huán)﹑具有擾動的等邊三角形貼片以及帶擾動的等邊三角環(huán)﹑帶擾動的環(huán)等，而不是近似的正方形或圓形等。

本文天線的貼片單元采用對角線切角設(shè)計，類似于單饋法引入微擾，激勵起兩個輻射正交極化的簡并模（TM01模和TM10模），從而利用這兩個簡并模進行工作產(chǎn)生圓極化輻射。由于切角的貼片單元的對角線長度不等，兩個單元對應(yīng)的諧振頻率也不相等，形成的極化形式也會在圓極化和線極化之間不斷變化，這樣就有效擴展了天線帶寬。因為天線采用的旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)對單個貼片單元的極化方式不敏感，只需要矢量疊加的電場為圓極化波即可。所以，通過選擇合適的旋轉(zhuǎn)饋電方式天線就可獲得圓極化波。

2 天線性能的仿真

2.1 天線饋電

類似于寬帶圓極化貼片天線，多頻帶圓極化貼片天線可以通過使用單個或多個饋電網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。單饋源設(shè)計具有饋源結(jié)構(gòu)簡單﹑體積小﹑制造成本低的優(yōu)點，但帶寬通常較窄。利用多饋源陣可以抑制非期望的高階模，具有高偏振度的優(yōu)點。

對于本文的天線結(jié)構(gòu)，如果采用四個饋電點，則需要一個更復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，以提供四個端口分別為0°﹑90°﹑180°和270°相位差異。這些饋電網(wǎng)絡(luò)將占用大量空間，增加復(fù)雜性和高成本。綜合考慮，本文的雙頻段圓極化天線的設(shè)計使用單個50 Ω的SMA接頭饋電，如圖2所示。

圖2 雙頻圓極化天線的饋電

使用單個50 Ω的SMA接頭饋電外加一個矩形環(huán)進行旋轉(zhuǎn)饋電，能夠減小天線尺寸，降低天線的復(fù)雜度。天線中心的矩形環(huán)中有一個L型微帶線，SMA的內(nèi)導(dǎo)體與微帶線相連接，外導(dǎo)體與地板相連接。仿真時，電流會沿著矩形環(huán)流動依次到達每一個貼片。T=0°和 T=90°時，分別是兩個對角線上的貼片工作。雖然每個貼片都工作在線極化波模式，但是陣列的極化模式為圓極化波。T=0°和T=90°時，陣列天線表面電流分布仿真圖如圖3﹑圖4所示。圖5表示中心矩形環(huán)的電流流向圖。

2.2 天線性能

利用電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真。圖6表示天線的回波損耗，反映了雙頻圓極化天線的損耗隨著頻率變化的曲線。由圖6可以看出，天線為雙頻帶工作。反射系數(shù)小于-10 dB頻帶值為1.38～1.4 GHz和1.5 5～1.58 GHz。

圖 7顯示了該天線的軸比帶寬曲線。圖7中軸比小于3 dB頻帶范圍分別為1.36～1.42 GHz和1.6～1.62 GHz。

圖8顯示了該天線的增益曲線。可以看出，天線在頻率為1.61 GHz時增益最高，為11.59 dB。這是由于天線在此頻率點處微帶貼片為圓極化模式，四個貼片同時工作，電場矢量相互疊加。

圖3 1.39 GHz下的陣列天線表面電流分布

圖4 1.57 GHz下的陣列天線表面電流分布

圖5 陣列天線中心矩形環(huán)電流流向

圖9為天線 在1.39 GHz和1.57 GHz處XOZ和YOZ截面上的增益方向圖。可以看出，天線的副瓣很小，在E面和H面的全向性都相當(dāng)好。

圖10為兩個工作頻段1.39 GHz和1.57 GHz的三維方向圖。

圖6 雙頻圓極化天線的反射系數(shù)

圖7 雙頻圓極化天線的軸比

圖8 雙頻圓極化天線的增益

圖9 XOZ和YOZ截面上的增益方向

圖10 雙頻圓極化天線的三維方向圖

3 結(jié) 語

本文利用旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)和貼片對角線切角技術(shù)實現(xiàn)了天線的小型化和雙頻圓極化的特性，并用三維電磁仿真軟件對天線進行仿真優(yōu)化。該雙頻圓極化天線只需要單層介質(zhì)基板，結(jié)構(gòu)緊湊，饋電簡單。

[1] 鐘順時.天線理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出出版社,2011.

ZHONG Shun-shi.Antenna Theory and Techniques[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011.

[2] 鐘小清,姚斌,鄭勤紅.一款多頻段小型單極子天線的設(shè)計[J].通信技術(shù),2015,48(02):237-241.

ZHONG Xiao-qing,YAO Bin,ZHENG Qin-hong.A Compact Multi-band planar Monopole Antenna[J].Communications Technology,2015,48(02):237-241.

[3] 鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:電子科技大學(xué)出版社,1991:135-137.

ZHONG Shun-shi.The Theory and Application of Microstrip Antenna[M].Xi'an:University of Electronic Science and Technology Press,1991:135-137.

[4] 李飛.一種雙頻雙圓極化微帶天線的設(shè)計[J].通信與廣播電視,2017(01):6-11.

LI Fei.Design of a Dual-Frequency and Dual Circular Polarized Microstrip Antenna[J].Communication and Broadcast Television,2017(01):6-11.

[5] YANG Wen-wen,ZHOU Jian-yi,YU Zhi-qiang.Single-fed Low Polarized Stacked Patch Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2014,62(10):5406-5410.

[6] Row J S.Dual-frequency Circularly Polarized Annular-ring Microstrip Antenna[J].Electronic Letters,2004,40(03):253-154.

[7] Jung Y K,Lee B.Dual-band Circularly Polarized Microstrip RFID Reader Antenna Using Metamaterial Branch-line Couper[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(02):786-791.

[8] Deng C,Li Y,Zhang Z.A Wideband Sequential-phase Fed Circularly Polarized Patch Array[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2014,62(07):3890-3893.