小型化寬頻帶圓極化半圓形微帶貼片天線

楊 放，衛(wèi)銘斐，周軍妮，王 純

(西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

單點(diǎn)饋電的微帶貼片天線具有尺寸小、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于共形、便于集成、可批量生產(chǎn)、多樣化的電性能等優(yōu)點(diǎn)，而圓極化的極化方式具有抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)天線指向要求低的特點(diǎn)，因此，無論在軍事還是民用方面，圓極化微帶貼片天線都備受青睞[1-2]。但是普通的微帶貼片天線不僅阻抗帶寬很窄，而且通過貼片切角[3]、貼片開槽[4]、非對(duì)稱的貼片邊界[5]等方法實(shí)現(xiàn)圓極化輻射時(shí)，圓極化帶寬也很窄，難以滿足無線通信系統(tǒng)對(duì)天線阻抗和圓極化帶寬的要求。因此，研究小型化、圓極化、寬帶化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)方法具有很重要的意義。

單點(diǎn)饋電的單貼片微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的方法的物理本質(zhì)是通過在貼片上引入非對(duì)稱擾動(dòng)形成兩個(gè)相位差是90°的正交模式，因此其圓極化帶寬很窄[6]。為了實(shí)現(xiàn)雙頻和寬帶工作，可采用層疊貼片[2，7-8]、共面無源寄生貼片[9]等方法，但是這兩種方法增大了天線的尺寸。采用較厚的空氣介質(zhì)、耦合饋電補(bǔ)償探針電感的方法展寬帶寬，可將天線的圓極化帶寬提高到6%左右[10]。文獻(xiàn)[11]通過在接地板上開非對(duì)稱的十字形槽實(shí)現(xiàn)圓極化，雖然圓極化帶寬達(dá)到了30%，但是天線的輻射是雙向的，增益很低。貼片上開U形槽[12]和E形貼片[13]是展寬微帶天線阻抗帶寬的兩種常用方法，可把阻抗帶寬提高到30%以上。文獻(xiàn)[14]提出在半圓形貼片上開矩形槽實(shí)現(xiàn)天線的寬帶工作。和E形貼片相比，半圓形微帶天線具有更小的貼片面積。文獻(xiàn)[15]提出在貼片上開非對(duì)稱的U形槽實(shí)現(xiàn)圓極化，圓極化帶寬為4%。文獻(xiàn)[16]提出了非對(duì)稱的圓極化E形貼片天線，把單貼片微帶天線的圓極化帶寬提高到了6.5%，阻抗帶寬為10.1%。文獻(xiàn)[17]把開U形槽、L形探針饋電、較厚的空氣介質(zhì)和貼片切角相結(jié)合實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化，當(dāng)介質(zhì)厚度為0.2個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，最大圓極化帶寬達(dá)到了14%。

針對(duì)無線通信中單貼片圓極化微帶貼片天線帶寬很窄的問題，本文提出了小型化半圓形寬頻帶圓極化微帶天線。該天線可應(yīng)用在2.4 GHz短距離無線通信領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)思想也可用于其他頻段無線通信中微帶貼片天線的設(shè)計(jì)。

1 微帶貼片天線圓極化的原理

圖1是一個(gè)普通的同軸探針饋電對(duì)角線切角的圓極化微帶貼片天線的輻射貼片。在正方形金屬貼片對(duì)角上切去一個(gè)角，天線的基本模式分解為對(duì)角線上兩個(gè)不同頻率的正交模式(模式1和模式2)。在某個(gè)頻率點(diǎn)，兩個(gè)模式的相位差為90°，合成后形成圓極化輻射。因?yàn)橹辉谝粋€(gè)頻率點(diǎn)兩個(gè)模式的相位差是90°，因此天線的圓極化帶寬很窄。天線軸比AR定義為[6]

(1)

式(1)中，Eθ，Eφ分別為輻射電場(chǎng)在兩個(gè)θ，φ兩個(gè)方向的分量。天線的圓極化帶寬定義為最大輻射方向上軸比小于3 dB的頻率范圍。

天線的回波損耗定義為[18]

S11=20lg|Γ|

(2)

(3)

式(3)中，Zin，Z0分別為天線的輸入阻抗和傳輸線的特性阻抗。天線的阻抗帶寬定義為回波損耗小于10 dB的頻率范圍。對(duì)于微帶貼片天線，其阻抗帶寬和圓極化帶寬通常是重合的，圓極化帶寬小于阻抗帶寬，其帶寬與介質(zhì)基板的厚度、介電常數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

2 寬帶圓極化半圓形微帶貼片天線

圖2是本文提出的圓極化半圓形微帶天線的頂視圖和側(cè)視圖。在直徑為72.5 mm半圓形金屬貼片上開兩個(gè)矩形槽，不僅兩個(gè)槽的尺寸不同，而且與饋電點(diǎn)的距離也不同。兩個(gè)槽的長(zhǎng)度分別為32.1 mm和15.7 mm，與饋電點(diǎn)的距離分別為9.2 mm和11.0 mm，寬度為4 mm，饋電點(diǎn)位于半圓形貼片的對(duì)稱軸線上。介質(zhì)層為1.6 mm的廉價(jià)FR4環(huán)氧樹脂板和13.4 mm的空氣層組成的層疊介質(zhì)。在FR4介質(zhì)層的另一側(cè)印刷一個(gè)半徑為4.5 mm的圓形金屬貼片，和半徑為0.6 mm的圓柱形饋電探針形成容性臨近耦合饋電，補(bǔ)償較長(zhǎng)饋電探針引起的分布電感。天線的接地板為邊長(zhǎng)為100 mm的正方形金屬板。饋電同軸線的特性阻抗為50 Ω。

在設(shè)計(jì)中，要求天線工作在2.4～2.5 GHz，在軸向形成圓極化輻射，并具有較小的尺寸、較寬的波束寬度和較高的增益，同時(shí)盡可能增大天線的阻抗和圓極化帶寬。其設(shè)計(jì)思想是通過開不同尺寸的槽在貼片上形成旋轉(zhuǎn)的電流分布實(shí)現(xiàn)圓極化，通過臨近耦合的饋電方式展寬天線的阻抗和圓極化帶寬。在設(shè)計(jì)的過程中，通過改變貼片的大小調(diào)節(jié)天線的工作頻率，改變饋電點(diǎn)的位置、耦合貼片的尺寸調(diào)節(jié)天線和傳輸線的阻抗匹配特性，調(diào)節(jié)開槽位置和尺寸調(diào)節(jié)天線的圓極化特性，經(jīng)過仿真分析和參數(shù)優(yōu)化得到最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證提出的方法的有效性，本文應(yīng)用美國(guó)高頻電磁仿真軟件ANSOFT HFSS15.0對(duì)該天線進(jìn)行了仿真分析和設(shè)計(jì)。圖3是天線的回波損耗S11和軸向軸比AR隨頻率的變化曲線。可見，天線在2.30～3.04 GHz頻率范圍內(nèi)S11<-10 dB，阻抗帶寬達(dá)到了27.7%；天線在2.37～2.54 GHz范圍內(nèi)AR<3 dB，圓極化帶寬為6.9%。

天線的圓極化輻射特性可由天線上的電流分布的變化得到分析。圖4給出了天線在2.45 GHz，ωt=0°，90°，180°，270°等一個(gè)周期內(nèi)四個(gè)不同時(shí)刻貼片上的電流分布。可以看出，貼片上的電流隨時(shí)間的變化按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，因此天線在軸向形成右旋圓極化輻射。圖5為2.45 GHz時(shí)天線的三維增益方向圖，其右旋圓極化分量增益大于6 dB，左旋圓極化分量增益小于-5 dB，并且方向圖具有良好的波束對(duì)稱性。

表1比較了本文提出的半圓形圓極化微帶天線和文獻(xiàn)[15]提出的開U形槽的圓極化微帶天線、文獻(xiàn)[16]提出的E形圓極化微帶天線的輻射貼片面積、天線總尺寸、阻抗帶寬和圓極化帶寬?？梢钥闯?，和圓極化E形微帶天線相比，本文提出的半圓形圓極化微帶天線貼片面積縮小了40%，而且具有更大的阻抗和圓極化帶寬，在展寬帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化設(shè)計(jì)。

表1 本文天線與文獻(xiàn)[15-16]天線比較

Tab.1 Comparison with reference[15-16]

貼片面積/mm2阻抗帶寬/GHz,%圓極化帶寬/GHz,%天線總尺寸/mm本文結(jié)果(半圓形微帶天線)2 0642.30～3.04,27.72.37～2.54,6.9100×100×15文獻(xiàn)[15](開U形槽的微帶天線)1 9982.27～2.48,92.27～2.36,4102×102×11文獻(xiàn)[16](E形微帶天線)3 4202.35～2.60,10.12.38～2.54,6.5200×95×10

4 結(jié)論

本文提出了寬帶圓極化小型化微帶貼片天線。該天線通過在半圓形貼片上開一組非對(duì)稱槽和臨近耦合饋電的饋電方式實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化輻射。仿真結(jié)果表明，當(dāng)介質(zhì)層厚度為0.13個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，天線的圓極化帶寬可達(dá)6.9%。該天線可應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。

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