寬帶多頻微帶天線研究現狀

寬帶多頻微帶天線研究現狀

隨著衛星通信及導航定位等技術的發展，圓極化微帶天線以其獨特的優勢，得到了廣泛的應用。同時為了適應通信系統的要求，對天線的帶寬、工作頻段以及體積等提出了更高的要求，為此國內外的學者們圍繞如何展寬帶寬、實現多頻和小型化，展開了進一步的研究。

寬頻圓極化技術

傳統的微帶天線無論是阻抗帶寬，還是圓極化帶寬都相對比較窄。為了展寬帶寬，學者們提出了很多方法。

共面波導饋電

共面波導饋電在展寬天線帶寬方面效果比較明顯。Jia-Yi Sze和Chi-Chaan Chang采用共面波導饋電，同時在方形縫隙的兩個對角上加載倒L枝節，通過調整兩個枝節的長度和寬度可以使天線實現圓極化，如圖1所示，調整方形縫隙中的微帶線的尺寸可以更好的實現阻抗匹配。天線實測阻抗帶寬為52%，軸比帶寬大于25%。用共面波導對方形縫隙天線饋電，并在對角上加載E型縫隙以實現圓極化，天線的3dB軸比帶寬最好可達到32%，駐波比小于2的阻抗帶寬為54.8%。

圖1　共面波導饋電圓極化方形縫隙微帶天線

圖2　L型貼片微帶天線

圖3　雙縫隙環微帶天線

加載技術

加載技術一直以來也是展寬天線帶寬的重要技術之一。Wenquan Cao等人采用電阻加載技術設計了一款寬帶圓極化微帶天線，使用容性金屬圓盤對輻射貼片進行電磁耦合饋電，同時將接地電阻與另一個容性金屬圓盤相連接。天線實測阻抗帶寬達到78.7%，圓極化帶寬達到27.5%，帶寬范圍內天線最高增益達到6.8dB。

其他方法

在展寬微帶天線帶寬方面，還有很多其他的方法。文獻利用多級威爾金森功分器設計了16元陣，每個陣元均是兩點饋電的圓極化單元，按照順序旋轉饋電要求排列，使得軸比小于1dB的帶寬達到47.8%。采用共面波導對L型輻射貼片進行饋電，如圖2所示，其結構簡單便于加工，調整L型貼片的尺寸可以展寬天線的軸比帶寬和阻抗帶寬，天線的軸比相對帶寬可以達到17%，而阻抗帶寬可以達到43%。

在文獻中，采用多點正交耦合饋電，并附加寄生貼片，天線軸比的相對帶寬可以達到45%，天線的增益也得到提升。T.-N. Chang 在貼片上開兩個相連的縫隙環來展寬天線的軸比帶寬，如圖3所示。采用此種結構，天線軸比的相對帶寬達到了46.7%，有明顯的改善。文獻中設計了一個缺陷地結構（DGS：Defected Ground Structure）的微帶單極子天線，該天線采用非對稱饋電，相對阻抗帶寬可以達到102%，相對軸比帶寬為32%。The-Nan Chang和Jyun-Ming Lin將U型帶狀線與地板共面，并在地板上開縫，通過調整U型帶狀線的尺寸可以展寬天線的阻抗帶寬，通過調整地板上的縫隙，可以改善天線的圓極化性能，天線的相對阻抗帶寬和相對軸比帶寬分別為148%和60%。采用特殊結構也可以展寬天線的帶寬，采用阿基米德螺旋結構設計的寬帶圓極化微帶天線的相對阻抗帶寬可以達到135.48%，相對軸比帶寬為108.26%。

圖4　三層貼片堆疊三頻雙圓極化微帶天線

圖5　耦合饋電雙頻圓極化微帶天線

多頻圓極化技術

多頻圓極化微帶天線是適應于實際需求的另一個發展方向，在衛星通信和導航定位中廣泛應用。國內外廣大學者在這方面也有很多研究成果。

層疊結構

層疊結構是利用多諧振來產生多頻圓極化的典型結構。圖4中所示是一種通過層疊三個輻射貼片實現三頻特性的雙圓極化微帶天線，天線通過對三個矩形貼片進行切角微擾來實現雙圓極化。天線使用兩個探針進行饋電，一根探針從地面穿過第一層對第二層貼片直接饋電，另一根探針從地面穿過第一層和第二層貼片對第三層貼片饋電。設計時天線上方添加一塊介質板來提高天線增益。

圖5所示的是一種雙頻圓極化微帶天線。天線使用3dB定向耦合器作為饋電網絡，對兩層疊同心圓環貼片進行耦合饋電，天線覆蓋L1和L2兩個頻段。天線在L1頻段和L2頻段的實測增益分別為7dB和6dB。采用層疊結構可設計一種三頻圓極化微帶天線，天線增加了金屬圓臺底座，增大了低仰角增益。

從理論上講，微帶天線通過層疊結構可以工作在任意頻段，但實際工程應用中，達到三頻以上就很難實現了，這是因為隨著層疊數目的增加，饋電設計難度隨之增加，同時頻段間的相互影響也越來越大，對天線的設計提出了更高的要求，天線的體積也將變大。

多模工作

微帶天線采用多模工作是實現多頻段工作的重要手段。在貼片的四周開四個T型的縫隙，并在貼片的中心開一個矩形的縫隙。中心的矩形是為了實現圓極化，天線開四個T型縫隙之后，將工作在TM10模和TM30模，達到實現雙頻的目的。Behazad Naimian和Mohammad H. Neshati在上述結構的基礎上在方形貼片的內部開四個L型的縫隙，天線在實現雙頻段工作的同時，也實現了小型化，在實際應用中具有很重要的價值。

其他結構

實現雙頻雙圓極化還有很多其他的結構，通過改變單個方形環縫隙的一對對角處的縫隙寬度，可以設計一款雙頻圓極化微帶天線。The-Nan Chang和Jyun-Ming Lin采用微帶進行連續饋電，分別對方形貼片和方形環通過縫隙耦合饋電，實現了雙頻圓極化。采用多環縫隙結構能夠設計一種新型的雙頻段圓極化可重構天線，能夠滿足移動通信系統對多頻天線的需求。李建峰和孫保華等人設計了一款雙頻雙圓極化微帶天線，采用耦合貼片饋電，并附加集總電路濾波網絡，有效改善了兩個端口之間的收發隔離度，并采用高介電常數的介質，減小了天線的尺寸。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.017