寬帶圓極化犄角形縫隙天線設計

房浩宇，孫如英＊，周寶安

（臨沂大學 物理與電子工程學院，山東 臨沂 276000）

寬帶圓極化犄角形縫隙天線設計

房浩宇，孫如英＊，周寶安

（臨沂大學 物理與電子工程學院，山東 臨沂 276000）

文章設計了一款寬帶圓極化縫隙天線。該天線采用微帶線激勵犄角形縫隙，實現了寬帶輻射特性。研究結果表明，該天線具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能，其阻抗帶寬（S11＜ –10 dB）為24.8% （2.2～2.82 GHz），3-dB軸比帶寬為29.2% （2.13～2.86 GHz）。

圓極化；寬帶天線；縫隙天線；軸比帶寬；阻抗帶寬

1 現代通信系統發展背景

現代通信系統正向大容量、高速化、多任務快速發展。寬帶天線在移動衛星通信系統，雷達跟蹤，無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）和無線局域網（Wireless Local Area Networking，WLAN）等方面的應用越來越廣泛。然而，很多寬帶天線為線極化方式，已很難滿足惡劣條件下對天線傳輸信號穩定性的需求。圓極化天線由于可接收任意極化的來波，其輻射波也可由任意極化天線收到，且不同旋向的電磁波間具有較大極化隔離，能適應復雜環境和提高抗多徑能力，寬帶圓極化天線的研究日益得到重視[1]。

微帶縫隙天線由于對加工精度要求低，可以采用標準的光刻技術制作在敷銅電路板上，并且工作頻帶較寬，普遍應用于現代雷達、電子對抗和無線通信等領域。微帶縫隙天線一般采用寬縫結構來實現寬的阻抗帶寬，通過微帶線或共面波導（Coplanar Waveguide，CPW）進行饋電，具有比微帶天線相對更寬的帶寬。國內外對這方面做了許多的研究，而且已經有了不少的研究成果。文獻[2]利用微帶縫隙并在縫隙內引入微擾實現天線的圓極化性能，使這種圓極化縫隙天線的3-dB軸比帶寬可以達到8.5%；文獻[3]中采用環形縫隙并通過微帶線饋電實現了天線的圓極化性能，并且使天線的3-dB軸比帶寬提高到了11%；文獻[4]采用微帶饋線饋電，使得在接地板上開的環形縫隙能夠與諧振元件相互作用實現了天線的圓極化性能。文獻[5]采用共面波導饋電正方形縫隙，并在縫隙中引出相互連接的橢圓形金屬片，設計一種新型的圓極化縫隙天線，阻抗帶寬和圓極化帶寬分別達到了15.5%和10.4%。文獻[6]使用CPW進行饋電，通過在矩形縫隙中饋電線末端增加一個小的調諧枝節調節阻抗匹配，實現了17.39%的3-dB軸比帶寬。

本文設計了一款犄角形縫隙寬帶圓極化天線。該天線具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能，阻抗帶寬為24.8%（2.2～2.82 GHz），3-dB 軸比帶寬為29.2%（2.13～2.86 GHz），其工作頻段除了中國移動的1 880～1 900 MHz外，還覆蓋了三大運營商2.32～2.655 GHz之間的6個頻段。

2 天線結構

在相對介電常數εr =4.4，厚度為1.5 mm的FR4基片上構建如圖1所示的縫隙天線。關于所有阻抗匹配和圓極化性能的研究都是通過ANSYS HFSS 14.0實現的，天線的關鍵參數是以S11和AR性能為優化目標得到的。具體的天線幾何參數為L=56 mm，R=42.8 mm，d1=7.6 mm和d2=32 mm，d3=5.3 mm。

3 仿真與測試結果

該天線的設計中心工作頻率為2.5 GHz，天線實物照片如圖2所示。天線的阻抗特性由Agilent 8 722 ES網絡分析儀測得，反射系數（S11）的測量值與仿真結果的比較如圖3所示。可以看出，實測和仿真曲線在帶寬上基本吻合。天線展示出良好的阻抗匹配特性，其仿真的阻抗帶寬為24.8%（2.2～2.82 GHz），實測阻抗帶寬（S11＜–10dB）達26%（2.27～2.92 GHz）。天線的軸向的Axial Ratio（θ=0°）隨頻率的變化關系如圖3所示，3-dB 軸比帶寬從2.13～2.86 GH z，覆蓋29.2%，軸比帶寬良好。

圖1 寬帶圓極化犄角縫隙天線設計結構

圖2 寬帶圓極化犄角縫隙天線實物

圖3 仿真與測試的S11曲線

圖4是天線工作在中心頻率2.5 GHz 時的輻射方向圖。如圖5—6所示，天線在視軸方向為右旋圓極化（RHCP）波，而在相反的方向同時輻射左手圓極化（LHCP）波。天線增益仿真曲線如圖7所示，最佳增益可達到4.19 dB，且在整個工作頻帶內增益平坦。

圖4 軸比的仿真曲線

圖5 xoz面上的左旋右旋圓極化方向

圖6 yoz面上的左旋右旋圓極化方向

圖7 天線增益仿真結果

4 結語

本文設計了一款犄角形縫隙寬帶圓極化天線。天線結構簡單，且具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能，能覆蓋ISO/IEC 18000-4 協議規定的RFID 的頻率范圍，適合小型化閱讀器使用，在RFID領域具有廣闊的應用前景。

[1]HAN R C, ZHONG S S.Broadband circularly polarised dielectric resonator antenna fed by wide band switched line coupler[J]. Electronics Letters, 2014（10）：725-726.

[2]WOJCIECH J, KRZYSZTOFIK. CP-microstrip copanar patch antenna for satellite reception[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2008（2）：372-375.

[3]SU C W, ROW J S. Slot-coupled micro-strip antenna for broad band circular polarization[J].Electronics Letters, 2006（6）：318-319.

[4]FENG P, TUAN Y, TSAIR R C. Compactslot-coupledmicrostripantennaswithcircularpolarization[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005（1）：57-59.

[5]楊斌.寬帶圓極化與極化可重構縫隙天線設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[6]JEERA G, CHATREE M, PRAYOOT A. A wide band circular polarization antenna with tuning rectangular slot fed by CPW[C]. France：IEEE 9th Conference on Echanges et Consultations Techniques Internationaux, 2012.

Research on broadband circularly-polarized chifre-shaped slot antenna

Fang Haoyu, Sun Ruying*, Zhou Baoan

（Physics and Electronic Engineering School of Linyi University, Linyi 276000, China）

A broadband circularly-polarized slot antenna is designed in this paper. The broadband property of the antenna is basically achieved by the chifre-shaped slot radiator fed with microstrip line. The antenna delivers good performance on impedance matching and circular polarisation, its impedance bandwidth （S11＜ –10 dB） is of 24.8% （2.2—2.82 GHz）and 3-dB axial-ratio bandwidth is of 29.2%（2.13—2.86 GHz）.

circular polarization; broadband antenna; slot antenna; axial ratio bandwidth; impedance bandwidth

臨沂大學大學生創新項目；項目編號：201510452136。

房浩宇（1997— ），男，山東臨沂。

＊通信作者：孫如英（1981— ），女，山東臨沂，講師；研究方向：微波電路與系統，天線理論與技術。