一種雙頻雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

劉岳蘋，李 飛

（眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 眉山 210000）

微帶天線是一種常用的天線形式，通常是在微波介質(zhì)板材上腐蝕出導(dǎo)體薄片，背部有金屬層作為導(dǎo)地接地板。當(dāng)在導(dǎo)體薄片和接地板之間有激勵(lì)電場(chǎng)時(shí)，在接地板四周的縫隙中就會(huì)向外輻射電磁場(chǎng)[1]。微帶天線的饋電方式一般有同軸饋電、微帶饋電和耦合饋電等。微帶天線是一種平面型結(jié)構(gòu)，很適合與各類平面載體集成安裝，也可將有源電路和微帶天線一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

如何提高通信系統(tǒng)的通信容量，增強(qiáng)抗干擾能力，一直是通信領(lǐng)域不斷研究的方向。兩個(gè)圓極化電磁波實(shí)現(xiàn)極化復(fù)用，可避免電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，并降低電磁波傳輸過程中的多徑效應(yīng)[2]。圓極化波是由兩個(gè)等幅正交有90°相差的線極化波組成。左、右旋的圓極化波是互相隔離的，因此圓極化天線的旋向具備正交性。在電磁波傳播過程中，碰到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)，反射波就會(huì)變成相反的旋向[3]。

現(xiàn)代通信中，為提高通信效果，全雙工的通信方式已經(jīng)普遍應(yīng)用在各種通信領(lǐng)域。天線作為通信設(shè)備前端的重要組成部分，必然要能夠同時(shí)在收發(fā)兩個(gè)頻段工作。早期微帶天線只能在很窄的頻段上工作，支持收發(fā)兩個(gè)頻段比較困難。隨著技術(shù)的進(jìn)步，寬帶、多頻段天線已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在通信中。降低微帶天線的Q值、附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電和附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等都是拓展帶寬的措施。多模單片法、加載單片法、幾個(gè)貼片疊加在一起的多片法是實(shí)現(xiàn)微帶天線多頻段的常用手段。理論上，這些方法適合頻率間隔任意大的雙頻微帶天線[4]。

本文對(duì)一種雙頻雙圓極化微帶天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了天線的基本原理和結(jié)構(gòu)形式，并在三維仿真軟件中進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真。該天線采用單點(diǎn)饋電法[5]，在微帶貼片上附加簡(jiǎn)并分離單元，使天線輻射圓極化波；兩個(gè)貼片疊層放置，分別工作在不同的頻段上，實(shí)現(xiàn)雙頻段。最終，天線可以同時(shí)輻射兩個(gè)圓極化波，并且旋向相反。天線的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，加工方便，成本低廉。

1 設(shè)計(jì)思想

微帶天線通過同軸單點(diǎn)饋電實(shí)現(xiàn)輻射圓極化波，是基于空腔模型的理論。利用簡(jiǎn)并分離單元使天線的兩個(gè)簡(jiǎn)并模同時(shí)工作，并且兩個(gè)簡(jiǎn)并模極化正交，相位相差90°。此方法不需要任何外加的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就能實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。圖1是圓形微帶圓極化天線的一種簡(jiǎn)并分離單元。

圖1 圓形微帶圓極化天線的簡(jiǎn)并分離單元

簡(jiǎn)并分離單元和圓形微帶圓極化天線的無加載Q0相對(duì)值由簡(jiǎn)化公式求得：

S是天線的面積，ΔS是簡(jiǎn)并分離單元的面積。

當(dāng)簡(jiǎn)并分離單元ΔS加載在圓形微帶貼片以后，兩個(gè)被激勵(lì)起來的極化正交的簡(jiǎn)并模的諧振頻率發(fā)生了分離，它們的極化正交且幅度相等的正交模，相位差為±90°。通過調(diào)節(jié)ΔS的尺寸，圓形微帶天線的工作頻率將工作在兩個(gè)簡(jiǎn)并模的模中間，圓極化波就會(huì)被輻射出去。

如圖2所示，一大一小兩個(gè)微帶薄片疊加放置，下層貼片作為上層貼片的接地板，兩個(gè)薄片分別在諧振在不同的工作頻率。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)微帶薄片的尺寸，可以是使微帶天線工作在需要的兩個(gè)頻段。這種疊層結(jié)構(gòu)可以看作兩個(gè)并聯(lián)諧振電路，偏離諧振的單元所呈現(xiàn)的阻抗很小如同短路，諧振單元的工作幾乎不會(huì)受到非諧振單元的影響。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2是雙頻雙圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意。天線分為一個(gè)在2 GHz工作的、比較大的圓形貼片和一個(gè)在2.2 GHz工作的、比較小的圓形貼片兩部分。兩個(gè)圓形貼片一大一小，上下兩層放置。上層的圓形貼片工作在2.2 GHz左右，半徑28.9 mm。下層圓形貼片工作在2 GHz左右，半徑32.7 mm。兩個(gè)貼片都在軸線上開兩個(gè)矩形縫隙（簡(jiǎn)并分離單元），用來產(chǎn)生簡(jiǎn)并模。2 GHz圓形貼片的矩形縫隙寬4.9 mm，長(zhǎng)10.7 mm；2.2 GHz圓形貼片的矩形縫隙單元寬8.9 mm，長(zhǎng)6.5 mm。

天線采用同軸導(dǎo)體直接饋電，50 Ω同軸接頭從導(dǎo)地地板向上穿過兩層微波基板，與下層圓形貼片和上層圓形貼片直接相連。Rogers5880，相對(duì)介電常數(shù)2.2，厚度1 mm作為微帶天線的介質(zhì)基板。同軸線饋電點(diǎn)位置在下層貼片中心45°斜線上距離中心16.2 mm，上層貼片中心45°斜線上距離中心13.3 mm。

同軸線直接給微帶貼片饋電，帶寬較窄。本文在下層較大的微帶貼片的饋電點(diǎn)周圍，加載了一個(gè)圓環(huán)形的縫隙，同樣上層較小的微帶貼片的饋電點(diǎn)周圍也這樣處理。目的是為了擴(kuò)展兩個(gè)工作頻段的帶寬。下層的圓環(huán)形縫隙內(nèi)半徑5.5 mm，外半徑9.2 mm，上層的圓環(huán)形縫隙內(nèi)半徑4.2 mm，外半徑5.1 mm。

圖2 雙頻雙圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)

3 仿真計(jì)算和分析

對(duì)雙頻雙圓極化微帶天線用三維電磁場(chǎng)仿真軟件仿真分析，天線的回波損耗如圖3所示。因?yàn)樯?、下一大一小兩個(gè)貼片的尺寸相差不大，所以2 GHz和2.2 GHz的兩個(gè)工作頻段有一部分重合在一起。回波損耗顯示該天線具有寬頻帶特性。

天線增益仿真曲線如圖4所示，工作頻帶內(nèi)增益大于7.7 dBi，最大增益8.55 dBi，出現(xiàn)在2.1 GHz時(shí)。

圖5是天線軸比曲線，在2.0 GHz和2.2 GHz兩個(gè)工作頻點(diǎn)，軸比均小于2，當(dāng)頻率逐步偏離工作頻段，軸比逐漸變化。在2.1 GHz時(shí)，天線輻射的電磁波已經(jīng)可以看作線極化波。因此，天線只能在中心頻點(diǎn)2.0 GHz和2.2 GHz的兩個(gè)25 MHz的頻帶內(nèi)工作在圓極化狀態(tài)。

圖3 微帶天線的回波損耗

圖4 微帶天線的增益-頻率的變化曲線

圖5 微帶天線的軸比-頻率變化曲線

根據(jù)天線輻射方向圖，2.0 GHz時(shí)天線增益為7.89 dBi，2.2 GHz時(shí)天線增益為7.74 dBi。圖6是2.0 GHz天線增益方向，圖7是2.2 GHz的天線增益方向。雙頻雙圓極化微帶天線的主輻射方向?yàn)?°，半功率波束寬度大于70°。最大增益點(diǎn)稍有偏斜，2.0 GHz最大增益有2°偏移，2.2 GHz最大增益有6°偏移。圖8—9是2.0 GHz和2.2 GHz的天線軸比方向圖，天線的寬角軸比性能非常好。

對(duì)比2.0 GHz時(shí)，天線輻射的左旋圓極化和右旋圓極化方向圖，可以看出是以左旋圓極化為主。同時(shí)2.2 GHz時(shí)，是以右旋圓極化為主。圖10是2.0 GHz左旋圓極化和右旋圓極化的方向圖對(duì)比，實(shí)線是左旋圓極化方向圖，虛線是右旋圓極化方向圖。圖11是2.2 GHz左旋圓極化和右旋圓極化對(duì)比方向。

圖6 2.0GHz天線輻射方向

圖7 2.2GHz天線輻射方向

圖8 2.0GHz天線軸比方向

圖9 2.2GHz天線軸比方向

圖10 2GHz的左（實(shí)線）、右（虛線）旋圓極化增益方向圖對(duì)比

圖11 2.2GHz左旋圓極化（實(shí)線）和右旋圓極化（虛線）方向圖對(duì)比

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款雙頻雙圓極化微帶天線，工作在2.0 GHz和2.2 GHz，每個(gè)頻帶的3 dB軸比帶寬25 MHz，分別輻射在左旋圓極化波和右旋圓極化波。通過三維電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了仿真分析，并給出了天線回波損耗、軸比、增益和方向圖的仿真結(jié)果?？梢钥闯霰疚牟捎玫碾p層疊加的微帶貼片可以工作在兩個(gè)頻段。同軸饋電通過圓環(huán)縫隙的形式進(jìn)行擴(kuò)展帶寬是有效的。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便、可靠性高、成本低廉和性能良好，具有良好的應(yīng)用前景。