一種雙頻雙圓極化共面波導(dǎo)饋電縫隙天線

趙文奇，韋 高

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，單一極化方式已難滿足要求，圓極化天線的應(yīng)用就變得愈加重要。因此，近年來對圓極化天線的研究越來越廣泛。其中，利用共面波導(dǎo)（CPW）饋電的縫隙天線已經(jīng)獲得了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，由于其良好的特性，如易加工，低剖面，寬帶寬以及容易實現(xiàn)與無源、有源器件在微波電路中的串并聯(lián)（不需要在基片上穿孔），容易提高電路密度等。實際上，已經(jīng)提出了多種類型的圓極化共面波導(dǎo)饋電縫隙天線[1－8]。例如通過在接地平面相連一個倒L型導(dǎo)帶[1]或兩個螺旋型導(dǎo)帶[2]來實現(xiàn)雙頻圓極化，或是包括導(dǎo)帶蝕刻天線[3]，雙單極子天線[4－6]，圓環(huán)縫隙天線[7]在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)圓極化性能。2008年，J．Y．Sze提出了添加一對倒L型接地帶的共面波導(dǎo)饋電縫隙天線[8]。文中，利用改進(jìn)的開口接地環(huán)形導(dǎo)帶以及添加水平短截線的結(jié)構(gòu)來使所設(shè)計天線實現(xiàn)雙頻雙旋向圓極化輻射。仿真和實驗結(jié)果表明了所設(shè)計天線的性能，它可以應(yīng)用在GPS和WLAN系統(tǒng)上。

1 天線設(shè)計

所設(shè)計的天線采用厚度為1 mm的FR4介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為4．4，天線的結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)如圖1（a）所示。兩開口接地環(huán)形導(dǎo)帶相對放置，其水平短截線與信號帶相連。開口環(huán)形導(dǎo)帶影響所覆蓋的頻帶范圍，連接在信號帶上的水平短截線對于阻抗帶寬和軸比帶寬都有著重要的作用。所設(shè)計天線使用的信號帶不同于傳統(tǒng)的形式[1]，信號帶的寬度要寬于饋電帶，用來改善阻抗帶寬。開口環(huán)形導(dǎo)帶的兩條邊的長度會影響雙頻的頻段，頂部右側(cè)的開口環(huán)形導(dǎo)帶開口位置的不同主要是為了提高軸比帶寬。天線在低頻段輻射右旋圓極化，在高頻段輻射左旋圓極化。

2 仿真與實測結(jié)果分析

圖1 圓極化天線Fig．1 Circularly polarized antenna

采用Ansoft公司的商業(yè)軟件HFSS[9]對天線進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真模型制作了天線實物，如圖1（b）所示。該天線的S11曲線如圖2（a）所示，仿真結(jié)果與實測結(jié)果有較好的一致性。從測量結(jié)果中可以看到，其小于－10 dB的S11曲線覆蓋兩個頻段，分別是從 1．4～1．85 GHz（帶寬=450 MHz，27．69%），以及從 2．075～2．7 GHz（帶寬=625 MHz，26．17%）。圖 2（b）顯示的是天線的軸比曲線。實測兩波段軸比帶寬分別是20．51%（從 1．4～1．72 GHz）和 13．44%（從 2．36～2．7 GHz）。 仿真和實測結(jié)果的差異主要是由加工誤差以及測試誤差引起的。

圖2 天線S11、軸比仿真與測試結(jié)果Fig．2 Simulated and measured S11， axial ratio of the antenna

圖 3 天線電流分布：（a） 1．55 GHz and （b） 2．55 GHzFig．3 Simulated current distributions:（a） 1．55 GHz and （b） 2．55 GHz

圖3 給出了所設(shè)計天線分別在1．55 GHz和2．55 GHz處的00，450和900的電流分布。可以觀察到電流分布的變化趨勢是，在 1．55 GHz 是右旋的，在 2．55 GHz 處是左旋的，這與以下事實相一致，即1．55 GHz處天線輻射右旋圓極化，2．55 GHz處天線輻射左旋圓極化。

圖4 天線方向圖測試結(jié)果Fig．4 Measured radiation pattern of the antenna

1．55 GHz和2．55 GHz處方向圖的測試結(jié)果如圖4所示。由于所設(shè)計的天線是雙向輻射，因而天線的兩側(cè)具有相反的極化特性。測量天線的增益如圖5所示，在1．55 GHz頻段為3．3～3．69 dB，在 2．55 GHz 頻段約為 3．12～3．81 dB。

圖5 天線增益Fig．5 Gain of the antenna

3 結(jié) 論

一種新型的雙頻段雙旋向圓極化共面波導(dǎo)饋電矩形縫隙天線被設(shè)計并進(jìn)行實測。其結(jié)果顯示天線具有良好的圓極化性能以及較寬的軸比帶寬。實測的阻抗和軸比帶寬結(jié)果是，在 1．55 GHz 頻 段分別是 27．69%和 20．51%，在 2．55 GHz頻段分別是26．17%和13．44%。在兩頻段內(nèi)可以獲得峰值增益分別為 3．69 dB 和 3．81 dB。 +z 方向， 天線在 1．55GHz 和2．55 GHz頻帶分別輻射RHCP和LHCP極化，其工作頻段可用于WLAN和GPS系統(tǒng)。

[1]Jou C F，Wu J W，Wang C J．Novel broadband monopole antennas with dual-band circular polarization[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2009，57（4）:1027－1034．

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[4]Chen H D，Chen H T．A CPW-Fed dual-frequency monopole antenna[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2004，52（4）:978－982．

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[7]Chen J S．Dual-frequency annular-ring slot antennas fed by CPW feed and microstrip line feed[J]．Antennas and Propagation， IEEE Transactions on，2005，53（1）:569－571．

[8]Sze J Y，Chang C C．Circularly polarized square slot antenna with a pair of inverted-L grounded strips[J]．IEEE Antennas and Wirel．Propag．Lett，2008，7:149－151．

[9]HFSS version 11．0[C]//Ansoft Software Inc．，2007．