圓極化微帶天線設計與實現的研究

【摘要】 本文通過圓極化微帶天線設計的主要方法，以及對5.6GHZ圓極化微帶天線的設計研究，找出確定饋電點的合理方法，并進行仿真分析。

【關鍵詞】 圓極化 微帶天線 有限元法 仿真

目前，簡單的線極化天線已很難滿足人們的需求。微帶天線是通信系統的重要部件，隨通信技術的發展，微帶天線在現代通信系統中愈加重要。影響圓極化微帶天線在實際中的應用，本文為優化天線的性能，現對其分析如下。

一、圓極化微帶天線的優勢

圓極化天線相對于其他天線具有明顯的優勢，表現為圓極化的天線在發射和接收天線旋轉之后，對接收信號的強度影響不大；圓極化的天線可接收旋向相同的圓極化的來波，同時其輻射波也可通過線極化天線和旋向相同的圓極化天線來接收；圓極化微帶天線根據不同的微帶元，最大的輻射方向能夠從端射到邊射的范圍內進行調整，容易獲取各種不同的極化，對于特殊設計的微帶元還能進行多頻或雙頻工作。

二、圓極化微帶天線設計的主要方法

實現微帶天線圓極化的方法主要有多饋法、單饋法和多元法。多饋法是具有多個饋電的饋電微帶天線，圓極化的工作條件通過饋電網絡保證，可應用3dB 電橋，或是T分支實現。多饋法的應用能夠有效提高圓極化寬帶和高駐波比寬帶，并抑制交叉極化，提高軸比。但多饋法存在成本高、饋電網絡較為復雜、天線尺寸大的缺點。

單饋法的應用的理論基礎是空腔模型理論基礎。通過簡并模分離元，產生兩個簡并模工作，并且其輻射式正交極化的。若是應用幾何微擾，實現的方案可多樣，且適用于各種類型的貼片。在幾何微擾的確定中，簡并模分離元位置和大小的選定，以及合適的饋電選擇是設計的關鍵[1]。單饋法主要使用于小型化，具有成本低，結構簡單，以及不用外加功率分配器和相移網絡的優點。但也存在極化性能差和寬帶窄的特點。

多元法的應用原理和多饋點法相似，通過多個線極化輻射元的使用，將每一個饋點均分別向一個線極化輻射元饋電，有串饋和并饋的各類多元組合，可將其看做天線陣。其中設計的關鍵是合理安排單元天線的位置。多元化具備多饋法的各優點，另外，饋電網絡的設計較為簡化，能獲取較高的增益。但同時也存在尺寸大，成本高和結構復雜的缺點。

三、圓極化微帶天線的設計分析

在研究中，所采用的五邊形微帶狀天線為一種形狀不規則的微帶片狀圓極化天線，因而不能應用常規的方法進行分析。目前，有兩種較好的近似分析該種天線的方法，一種是補片法和分片法，另一種為有限元法。本文采用有限元法對圓極化微帶天線的設計進行。

有限元法是將所需求解的整個區域劃分成若干個單元，并在每個單元規定一個基函數[2]。在其他區域中，所設定的基函數為零，但在各自的函數中有解析，也即應用分片解析函數代替全域解析函數，在二維問題中，單元選取可以是矩形或是三角形等，其中三角形域的應用范圍最廣。本文便是應用有限元法，把五邊形微帶片區域分為三角形單元，如圖1所示。

通過求解，可得出公式kp-k2 Hp =T，其中p為列矩陣，k、H為系數矩陣，T是和源積分項相關的常數矩陣。通過該式，可求出天線的輸入阻抗，若要求諧振模和諧振頻率，可令JZ=0，T=0，進而探討無源問題。

四、圓極化微帶天線的仿真實現

以5.6GHZ的圓極化微帶天線作為設計目標，需將天線輻射盡可能的接近圓極化，即具有較好的寬帶特性、較低軸化和較高的增益。微帶天線的應用范圍通常為1-50GHZ，問題的關鍵在于如何兼顧寬帶寬和圓極化。由于饋電位置的選擇較為困難，經不斷研究，比較實用的調試方法為：根據比例式確定一個饋電點的位置，然后在該位置的左右兩邊各選擇一點，進行模擬[3]。對比兩側的幅度和相位變化，選取變化較大的一側，將原點作為起始點，向這一側移動饋電點，當所選擇的饋線長度和寬度合適，便可獲取圓極化輻射圖的饋電點位置。

綜上所述，通過對5.6GHZ圓極化微帶天線的分析，并對其設計方法做出分析和總結，如饋點位置選擇、阻抗匹配和調配枝節的確定，進而獲取較寬的寬帶和良好的軸比。本次的研究為圓極化微帶天線的設計，提供切實可行的設計方法。

參 考 文 獻

[1] 汪雪剛，李瑞，吳多龍，李庚祿. GPS雙頻圓極化微帶天線的設計[J]. 廣東工業大學學報，2011，4（2）：281-282

[2] 李登豐. 于HFSS的圓極化微帶天線的設計和仿真[J]. 齊齊哈爾大學學報，（自然科學版），2011，2（6）：230-231

[3] 劉洋，王昕，董濤. 一種新型Ka頻段圓極化微帶天線設計[J]. 無線電工程，2012，4（5）：291-292