一種低剖面圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)

詹敏峰 李俊 陳韶明

摘? 要：為了適應(yīng)寬波束覆蓋需求的圓極化天線，同時(shí)展寬微帶天線的軸比帶寬，提出了一種新的低剖面1×4圓極化微帶陣列天線。天線陣列由四個(gè)微帶貼片單元組成的直線陣列，通過改變每個(gè)輻射貼片單元的饋電方向，按照一定規(guī)律組合，單元合成時(shí)通過相互抵消、抑制，可以有效提高阻抗帶寬以及軸比帶寬。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線陣在0.79～0.96 GHz回波損耗低于-15 dB，軸比小于3 dB。天線具有低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等特點(diǎn)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：圓極化；陣列天線；軸比；低剖面

中圖分類號(hào)：TN828.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）02-0045-04

Design of a Low Profile Circular Polarization Microstrip Array Antenna

ZHAN Minfeng， LI Jun， CHEN Shaoming

（CETC Potevio Science & Technology Co.， Ltd.， Guangzhou? 510310， China）

Abstract： In order to adapt to the circular polarization antenna with wide beam coverage and broaden the axial ratio bandwidth of microstrip antenna， a new low profile 1×4 circular polarization microstrip array antenna. The antenna array is a linear array composed of four microstrip patch elements. By changing the feed direction of each radiation patch unit and combining according to a certain rule， the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth can be effectively improved through mutual cancellation and suppression when the units are combined. The simulation and measurement results show that the return loss of the antenna array is less than - 15 dB and the axial ratio is less than 3 dB at 0.79 ～ 0.96 GHz. The antenna has the characteristics of low profile， simple structure and easy processing， meeting the expected design requirements.

Keywords： circular polarization; array antenna; axial ratio; low profile

0? 引? 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)不斷發(fā)展，圓極化天線也得到廣泛應(yīng)用。圓極化天線的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是能降低多徑效應(yīng)導(dǎo)致的時(shí)延擴(kuò)散，降低碼間串?dāng)_，降低誤碼率，提高通信質(zhì)量；二是能夠減少電離層引起的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；三是可以接收任意線極化波，圓極化天線輻射的圓極化波也可以由任意極化的天線收到，且圓極化天線波入射到對(duì)稱目標(biāo)反射波反旋向。基于在接收和發(fā)射上具有更大靈活性和特點(diǎn)，圓極化天線廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、射頻識(shí)別和無線能量傳輸?shù)认到y(tǒng)中。圓極化天線的研究包括兩個(gè)方面：擴(kuò)展帶寬以提高信號(hào)傳輸量和擴(kuò)展波束寬度接收更廣范圍信號(hào)。為保證通信質(zhì)量，在無線通信系統(tǒng)中，如無人機(jī)、RFID定位系統(tǒng)、車載天線、無線局域網(wǎng)也都需要具有寬的波束寬的圓極化天線[1，2]。

微帶天線具有低剖面、成本低、體積小、重量輕、制作簡單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是天線的阻抗帶寬和軸比較窄，普通微帶天線其相對(duì)帶寬通常只有1%～6%。展寬頻帶是圓極化天線設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題。微帶天線拓展帶寬的方法通常有附加寄生耦合、貼片開槽、探針耦合、縫隙耦合多點(diǎn)饋電、提高天線剖面、使用高介電常數(shù)介質(zhì)板等[2，3]，這些方法雖然能提高帶寬，但有些不適用要求低剖面的情形[4-6]，并且成本相對(duì)提高較多，不適合量產(chǎn)。另外當(dāng)需要天線具有較高的增益時(shí)，通常采用陣列的方式，一般都是通過正方形2×2的子陣列進(jìn)行分析，常采用順序旋轉(zhuǎn)饋電法擴(kuò)展帶寬、軸比、提高增益，如文獻(xiàn)[7-10]，其方法是將4個(gè)線極化單元繞中心依次以90°的增量旋轉(zhuǎn)，其激勵(lì)相位也依次相差90°，改變相位差的正負(fù)，可以形成左旋或右旋圓極化，但這種正方形陣列波束偏窄，有些場(chǎng)景不適用。本文從另外一個(gè)角度，研究一種直線分布的陣列結(jié)構(gòu)，通過改變每個(gè)輻射貼片單元的饋電方向，按照一定規(guī)律組合，設(shè)計(jì)了一種1×4小型微帶陣列，在滿足寬波束覆蓋需求的同時(shí)，提高了天線帶寬、軸比性能。

1? 圓極化微帶輻射單元的設(shè)計(jì)與分析

微帶圓極化天線輻射單元的設(shè)計(jì)主要包括基板的選擇、輻射帖片尺寸計(jì)算和饋電方式的設(shè)計(jì)。如圖1所示是所設(shè)計(jì)的圓極化微帶帖片單元結(jié)構(gòu)，是由單層介板構(gòu)成矩形微帶帖片單元。設(shè)計(jì)的基板頂層是印制有1個(gè)輻射貼片以及1個(gè)一分二功分器的饋電電路，且輻射帖片為正方形。

1.1? 選擇介質(zhì)基板取

需要考慮的特性指標(biāo)包括介電常數(shù)、損耗角正切角等，這些特性指標(biāo)影響微帶天線的軸比波束寬度、阻抗帶寬以及天線效率等，選取介電常數(shù)低一些的介質(zhì)板可以降低天線輻射的Q值，減小表面波對(duì)天線性能的影響，天線輻射的邊緣場(chǎng)增強(qiáng)。隨著介電常數(shù)的減小，天線寬角軸比拓寬，阻抗帶寬拓寬，有利于天線圓極化純度和天線頻帶性能，綜合考慮，確定介質(zhì)層是FR4材質(zhì)的基板，其介電常數(shù)為εr=4.4，損耗正切角為0.02，板材厚度為h=3 mm。

1.2? 確定微帶輻射帖片尺寸

基于微帶天線理論，矩形微帶帖片天線可以將輻射元看作是一段長為L的低阻抗微帶傳輸線，傳輸線的兩端斷開形成開路，開路處兩電場(chǎng)垂直分量反向，水平分量同相。貼片可以等效為相距半個(gè)波長，長度為W的兩個(gè)縫隙（磁偶極子）。帖片單元的長和寬分別為：

（1）

（2）

（3）

式中λg為介質(zhì)中波長，f0為中心頻率，考慮到邊緣場(chǎng)的影響在設(shè)計(jì)時(shí)：

（4）

（5）

取中心頻點(diǎn)875 MHz，由上式可估算出微帶帖片單元的初步尺寸，兼顧圓極化性能及結(jié)構(gòu)尺寸需要，經(jīng)過仿真優(yōu)化后，正方形輻射單元邊長取W=76 mm。由微帶天線的輻射機(jī)理可知，天線輻射口徑分布在貼片天線的寬邊等效縫隙附近。因介質(zhì)板對(duì)天線的輻射影響較小，一般界定其尺寸大于輻射單元1/5介質(zhì)波長，介質(zhì)板尺寸Lg、Wg取值滿足：

（6）

（7）

地板的大小主要影響輻射參數(shù)，如增益、半功率波瓣寬度、寬角軸比等。地板大小與增益和寬角軸比成正比關(guān)系，為了拓寬角軸比，實(shí)現(xiàn)一定的天線增益，本文將地板設(shè)為Wg=200 mm。

1.3? 設(shè)計(jì)饋電方式

微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的機(jī)理是激勵(lì)微帶貼片產(chǎn)生兩個(gè)在空間上相互正交的等幅、相位相差90°的簡并模。矩形微帶帖片的饋電方式包括單饋法、多饋法和多元法。單饋法是利用一個(gè)饋電點(diǎn)通過幾何微擾的方式，激勵(lì)產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等相位相差90°的極化正交簡并模形成圓極化波，通常微帶圓極化天線一般是通過單貼片切角、表面開槽、加載等方法來實(shí)現(xiàn)，單饋法的缺點(diǎn)是帶寬較窄，一般適用于單頻點(diǎn)工作；多饋法是指有多個(gè)饋電點(diǎn)進(jìn)行饋電，常見的有雙饋和四饋，多饋電方法可以抑制高次模、提高極化純度和帶寬。多饋法為了產(chǎn)生饋點(diǎn)之間的相位差，需要引入如圓環(huán)功分器、Willkinson功分器、T形功分器、3 dB電橋功分器等饋電網(wǎng)絡(luò)，這些缺點(diǎn)增加了整體設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本，另外饋電網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)影響天線性能；多元法是指天線由幾個(gè)線極化天線單元組陣產(chǎn)生，通常由四個(gè)線極化單元組成，位置排布依次旋轉(zhuǎn)90°，且饋點(diǎn)相位依次相差90°，多元法與多饋點(diǎn)缺點(diǎn)相同。饋點(diǎn)位置有直接饋電、邊饋、耦合饋電等多種方式，不同的饋電方式影響帶寬及實(shí)現(xiàn)的難易程度。通常直接饋電方式相對(duì)帶寬較窄約為2.2%、邊饋方式的相對(duì)帶寬約為6.5%、耦合饋電方式通過電容補(bǔ)償調(diào)節(jié)，相對(duì)帶寬可達(dá)20%。為了使天線具有較低的剖面，如圖1采用了邊饋方式，即饋電位置與微帶帖片在同一平面上。在圖1中，輻射單元是通過一分二功分器提供二路幅度相等、相位相差90°的激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生相交的簡并模式，形成圓極化波。綜合考慮帶寬、軸比以及方向圖等性能，為了提高帶寬，饋電電路采用了帶隔離電阻的微爾金森（Wilkinson）一分二功分器，其中隔離電阻為100 Ω；采用隔離電阻的作用是保證功分電路的幅度和相位隨頻率變化分布均勻，可以有效擴(kuò)展帶寬。

經(jīng)優(yōu)化后，圖1中饋電網(wǎng)絡(luò)電路其他尺寸如表1所示。微帶帖片單元的仿真結(jié)果如圖2所示，回波損耗低于-10的帶寬為0.85～1 GHz，軸比3左右的帶寬0.85～0.97 GHz。

2? 陣列設(shè)計(jì)分析及仿真

在上述圓極化微帶帖片單元基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種1×4的直線型陣列天線。首先對(duì)陣列的分布進(jìn)行分析，如圖3所示，對(duì)比分析了三種情況下軸比變化情況。三種陣列的區(qū)別在于帖片單元激勵(lì)方向以及對(duì)應(yīng)的初始相位變化上：陣列一的四個(gè)單元饋電方向相同，且等幅等相位，陣列二四個(gè)單元依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，同時(shí)饋電幅度相等，相位依次為0°、-90°、-180°、-270°；陣列三是在陣列二的基礎(chǔ)上一個(gè)調(diào)整，呈沿陣列中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，饋電幅度相等，相位依次為0°、-90°、-270°、-180°，與陣列二不同的是，陣列三的布局可以看成是右方兩個(gè)單元繞中心旋轉(zhuǎn)180°所得，因此饋電時(shí)需要反相180°，能進(jìn)一步提高匹配帶寬。以上陣列中微帶單元饋電相位的大小以及旋轉(zhuǎn)方向選擇是與微帶單元形成圓極化波的極化方向有關(guān)的，在單元設(shè)計(jì)中，兩個(gè)饋電點(diǎn)的相位是沿逆時(shí)針方向且相差90°，分別為0°、-90°，此時(shí)形成右旋圓極化波，因此陣列二中單元也應(yīng)按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)民，并且每個(gè)單元饋電的相位也應(yīng)是相差90°分布。通過仿真對(duì)比，如圖4所示，陣列一與微帶帖片單元的軸比帶寬明顯要低于陣列二和陣列三，可以看出，改變陣列中微帶帖片單元的饋電方向和相位對(duì)提高陣列的軸比帶寬是有明顯改善的。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了完整的陣列，如圖5所示，所設(shè)計(jì)的天線陣列放置在Wf =400 mm、Lf =1 000 mm的金屬反射面上，是由四個(gè)微帶輻射貼片單元cell1～cell4和饋電電路組成；帖片單元沿直線均勻排列，單元間距d=200 mm；四個(gè)貼片單元分別對(duì)應(yīng)由一分二功分器實(shí)現(xiàn)等幅、相位相差90°饋電，且每個(gè)帖片單元的饋電方向均不相同；相對(duì)于cell1單元，cell2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90°，cell1和cell2也是通過一分二功分器相連，且cell2相位落后于cell1單元90°。cell1和cell2連接后，再沿中心旋轉(zhuǎn)180°可以得到cell3和cell4；兩者也是通過一分二功分器相連，合成天線陣總的端口Port，且cell3和cell4相位與cell1和cell2相位相差180°，即相位相反。為進(jìn)一步提高提高帶寬，上述所有一分二功分器，均如圖示位置設(shè)置了100 Ω平衡電阻，保證功分電路的幅度和相位隨頻率變化分布均勻。

陣列的S參數(shù)和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示，在0.79～0.96 GHz范圍內(nèi)，回波損耗低于-15，軸比小于3 dB，圖7為f =0.9 GHz時(shí)的方向圖，水平面波束寬度為81.4°，垂直面角度為22.5°，主瓣方向仿真和實(shí)測(cè)基本一致。

3? 結(jié)? 論

通過研究一種新型的圓極化陣列天線，提供一種提高圓極化天線帶寬的方式，中心頻率為875 MHz，介質(zhì)層1為PCB基板，材料是常數(shù)為4.4的FR-4，厚度為3 mm，輻射貼片單元邊長為0.47 mm，利用旋轉(zhuǎn)饋電和反相對(duì)稱饋電技術(shù)，通過改變每個(gè)輻射貼片單元的饋電方向，并按照一定規(guī)律組合，單元合成時(shí)通過相互抵消、抑制，可以有效提高阻抗帶寬以及軸比帶寬，通過1×4的微帶天線陣仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有較好回波損耗和軸比，相對(duì)帶寬達(dá)到20%；該天線具有覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、剖面低、制造方便，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用于RFID系統(tǒng)中取得良好效果。采用的設(shè)計(jì)方法對(duì)于天線有低剖面、小型化以及寬帶等性能要求具有一定的指導(dǎo)作用，可應(yīng)用于RFID、衛(wèi)星通信和5G系統(tǒng)中。

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作者簡介：詹敏峰（1980—），男，漢族，湖北黃岡人，助理工程師，本科，研究方向：電波傳播以及天饋技術(shù)；李俊（1973—），男，漢族，湖北荊門人，工程師，碩士研究生，研究方向：電波傳播以及天饋技術(shù)；陳韶明（1978—），男，漢族，廣東湛江人，助理工程師，本科，研究方向：電波傳播以及天饋技術(shù)。

收稿日期：2022-08-09