一種共面波導(dǎo)差分饋電的寬帶圓極化天線

劉 芬，江 鵬，姬五勝，劉 坤

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津菲利科物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司，天津 300192）

圓極化天線[1-2]可有效減小極化損耗，提高系統(tǒng)容量，故在無線電領(lǐng)域具有非常重要的作用。當(dāng)前實現(xiàn)圓極化天線的主要方式有：環(huán)形電流法[3-5]、正交對稱振子法[6-7]、差分饋電法[8-10]等。差分天線采用差分饋電方式，可直接與射頻前端相連，從而避免使用巴倫等轉(zhuǎn)換器件，有利于提高系統(tǒng)的集成度。因此，研究和設(shè)計差分饋電式寬帶圓極化天線具有十分重要的意義。文獻[11]提出了一種采用180°旋轉(zhuǎn)對稱的風(fēng)車型結(jié)構(gòu)的差分饋電圓極化毫米波天線，采用行波激勵和差分饋電方式，但軸比帶寬為17.4%，相對較窄。文獻[12]提出了一種由地板、半環(huán)和蝶形振子組成的寬帶差分饋電圓極化天線，獲得了34.7%的軸比帶寬，但是該天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易制作。文獻[13]提出了一種基于AMC結(jié)構(gòu)的改進型的差分饋電寬帶圓極化天線，3 dB 軸比帶寬為43.9%，性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)簡單，但在高頻輻射方向具有較大的交叉極化，因此該天線還有相當(dāng)大的改良空間。針對上述研究中存在的弊端，本文提出了一種共面波導(dǎo)差分饋電的寬帶圓極化天線，包括方槽、兩條正交的對稱T 形饋線、一對交叉Z 型條以及加載了一個斜45°矩形條，使得軸比（AR）帶寬增強，改善了天線的圓極化特性。

1 天線圓極化機理分析

在分析差分天線電路參數(shù)時，可將其等效為一個二端口網(wǎng)絡(luò)，二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波和反射波如圖1 所示。

圖1 二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波和反射波

根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)[14-15]和圓極化波[16-17]相關(guān)知識，可以得到差分天線的差模反射系數(shù)Sdd和軸比AR 的計算公式分別為

式中：S11、S12、S21、S22均為二端口網(wǎng)絡(luò)的S 參數(shù)。

式中：A 為橢圓極化的長軸；B 為橢圓極化的短軸。

差分天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2（a）天線的主要輻射體由一對對稱的T 型條組成，圖2（b）天線在圖2（a）天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一對交叉Z 型條，圖2（c）為本文提出的天線結(jié)構(gòu)模型。

圖2 差分天線結(jié)構(gòu)

對上述3 種結(jié)構(gòu)差分天線的差分反射系數(shù)進行HFSS 仿真分析，3 種類型天線的差分反射系數(shù)如圖3所示。由圖3 可知，當(dāng)天線在模型1 情形下，其工作頻率上移，阻抗匹配變差；模型2 天線的中心頻率滿足要求，但是帶寬以及阻抗匹配不是很理想；模型3 天線的帶寬更寬，阻抗匹配得到改善。

圖3 3 種類型天線的差分反射系數(shù)

圖4 為3 種類型天線的軸比曲線。由圖4 可知，無論是模型1 還是模型2，天線的軸比均大于3 dB，不能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化的要求，因此在模型3 中加入斜45°矩形條，可改善軸比，使天線實現(xiàn)圓極化。

圖4 3 種類型天線的軸比曲線

2 天線參數(shù)分析與設(shè)計

天線的三維結(jié)構(gòu)仿真圖和幾何結(jié)構(gòu)正視圖如圖5所示。天線印刷在FR4 基板上相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.002，基板厚度為1.6 mm。天線由50 Ω 的共面波導(dǎo)饋源進行饋電，其中這個信號線的寬度為W1，長度為L1，2 個相同間隙的寬度均為0.8 mm。與其相連的T 型條的上部分矩形條長為L2，寬為W2。與倒L 型地面相連的矩形槽長為L3，寬度為W3，上方與其相連的矩形槽長為L4，縫隙加載的斜45°矩形條長度為L5。插槽的邊長處約是在中頻縫隙波導(dǎo)軸比帶寬波長的1/2。在運用HFSS 仿真軟件進行天線設(shè)計時，把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件。

圖5 天線的三維結(jié)構(gòu)仿真圖和幾何結(jié)構(gòu)正視圖

在天線設(shè)計過程中，每一個結(jié)構(gòu)的尺寸都會對天線的性能參數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響。對于T 型矩形條來說，先固定水平矩形條，其長度L2=15 mm，垂直矩形條長度L1與天線差分反射系數(shù)以及軸比曲線如圖6 所示。從圖6 可以看出，當(dāng)L1=10 mm 時，天線不工作，軸比相應(yīng)也很差；當(dāng)L1=15 mm 時，天線的差分反射系數(shù)滿足要求，并且軸比也在相應(yīng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的特性；進一步增大L1，當(dāng)L1=20 mm 時，天線的差分反射系數(shù)急速變差，相應(yīng)的軸比也隨之減小。因此，當(dāng)L1=15 mm 時，天線性能較好。

圖6 T 型矩形條的垂直矩形條長度L1 對天線性能的影響

T 型矩形條的水平矩形條長度L2對天線差分反射系數(shù)以及軸比曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出，當(dāng)L2=10 mm 時，天線不工作，軸比相應(yīng)也很差；將其增大，當(dāng)L2=15 mm 時，天線的差分反射系數(shù)滿足要求，并且軸比也在相應(yīng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的特性；當(dāng)L2=20 mm 時，天線的差分反射系數(shù)急速變差，相應(yīng)的軸比也隨之減小，因此選擇L2在15 mm 附近為天線性能較好的情況，但是相對L1而言，L2的變化對于天線的軸比影響更小。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計的天線L2為13.4 mm。

圖7 T 型矩形條的垂直矩形條長度L2 對天線性能的影響

確定好T 型條尺寸后，進行Z 型矩形條尺寸設(shè)計。對Z 型矩形條較長的一段長度L3進行分析，天線Z 型矩形條中較長的一段長度L3對天線性能的影響如圖8 所示。從圖8 可以看出，天線在L3變化時性能變化非常大：在L3不斷減小時，天線的差分反射系數(shù)逐漸接近于一條直線，且該直線約為-3 dB，說明已經(jīng)完全偏離了設(shè)計路線；當(dāng)L3不斷增大時，天線的軸比有所好轉(zhuǎn)，但是差分反射系數(shù)依舊較差，為了達到設(shè)計要求，將L3的數(shù)值固定在20 mm 附近，才能夠使天線既可以工作在工作頻段，也可實現(xiàn)圓極化的特性。

圖8 L3 對天線性能的影響

天線Z 型矩形條較短的一段長度L4對天線差分反射系數(shù)的影響以及軸比曲線如圖9 所示。從圖9 可以看出，相對于上述提及的其他長度，L4的變化對天線性能影響較小，無論是增大還是減小，其差分均能夠保持在興趣頻段范圍內(nèi)小于或者接近-10 dB 的要求，但是該長度對軸比的變化影響卻很大，隨著L4的不斷變化，天線的軸比變化很大，且均不能滿足設(shè)計要求，因此該長度的選擇需要配合其他尺寸進行調(diào)整。

圖9 L4 對天線性能的影響

依次確定好T 型條尺寸、Z 型矩形條尺寸后，最后對加載的斜45°矩形條長度L5進行設(shè)計。為了能夠得到理想的設(shè)計要求，在設(shè)計天線時，還需要綜合考慮天線的各個尺寸參數(shù)配合選擇，以實現(xiàn)天線性能的最優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化后天線的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 最終優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3 仿真結(jié)果

差分饋電天線的差分反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖10所示。本文所設(shè)計天線的軸比曲線和天線峰值增益隨頻率變化曲線分別如圖11 和圖12 所示。天線的二維方向圖如圖13 所示。

圖10 天線的差分反射系數(shù)

圖11 天線的軸比曲線隨頻率變化曲線

圖12 天線峰值增益隨頻率變化曲線

圖13 天線的二維方向圖

從圖10 可知，天線的整個阻抗帶寬范圍覆蓋從1.74～2.75 GHz，中心工作頻率處于2.45 GHz。天線最低的反射系數(shù)達到了-38.7 dB，這就表明天線的反射率很低，向外傳輸特性良好，阻抗匹配也較好。由圖11可知，天線軸比在1.67～2.68 GHz 范圍內(nèi)均小于3 dB，該范圍與阻抗帶寬范圍非常接近，說明了所設(shè)計天線的性能非常好，具有良好的圓極化特性。由圖12 可以看出，在頻率為2.55 GHz 處天線的最大增益為3.41 dBi；同時在1.9～2.7 GHz 范圍內(nèi)增益全部大于2 dBi。

從圖13 可以看出，天線的主極化方式為左旋圓極化，而交叉極化為右旋圓極化，且天線方向圖曲線表示交叉極化相對主極化較小，對于信號的干擾效果較小，這表明所設(shè)計天線的方向圖較好，具有好的全向特性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的寬帶差分圓極化天線，具有良好的寬帶圓極化性能。所設(shè)計的天線軸比相對帶寬為41.2%，差分反射系數(shù)小于-10 dB 的范圍為1.01 GHz，最大增益為3.41 dBi，整個阻抗帶寬范圍覆蓋從1.74～2.75 GHz，且在整個工作頻段內(nèi)二維方向圖穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，本文提出的天線具有寬帶、全平面、方向圖穩(wěn)定、便于集成等特點，符合無線通信系統(tǒng)設(shè)計要求。