一種新型圓極化縫隙加載三角形微帶天線

李貴棟 張文濤 稂華清

摘 要：?????? 為了提高圓極化微帶天線性能， 提出一種新型圓極化微帶天線結構， 通過在三角形貼片上加載縫隙和枝節展寬圓極化帶寬， 天線總體尺寸為0.74λ0×0.88λ0×0.09λ0。 HFSS仿真結果表明該天線阻抗帶寬（回波損耗S11<-10 dB）9.6%， 圓極化帶寬（軸比AR<3 dB）5.4%， 軸比最小值0.23 dB， 增益最大值8.11 dBic。 該天線的圓極化性能較好， 在衛星導航和無線通信中具有很好的應用潛能。

關鍵詞：???? 圓極化; 三角形貼片; 縫隙加載; 微帶天線

中圖分類號：??? V243.2; TN821+.1文獻標識碼：??? A文章編號：???? 1673-5048（2018）01-0077-04

0 引? 言

圓極化微帶天線因剖面低、 重量輕、 能共形、 易集成、 抗干擾等優點廣泛應用于通信、 雷達、 衛星導航、 電子偵察和電子對抗等領域。 微帶天線圓極化實現方法分單饋法、 多饋法和多元法三類[1]： 單饋法通常采用方形貼片切角或者加枝節產生兩個相位差90°的正交簡并模來實現圓極化， 結構簡單、 尺寸小， 但是圓極化帶寬很窄， 通常只有1%左右; 多饋法通過饋電網絡或兩個饋點實現圓極化， 帶寬較寬但結構復雜尺寸較大; 多元法使用多個線極化輻射元組成天線陣合成圓極化， 帶寬較寬、 增益高， 但結構復雜、 尺寸大。 單饋法易于實現， 最為常用， 提高圓極化帶寬和增益是單饋圓極化微帶天線研究的主要方向。

文獻[2]提出了一種L形探針饋電的切口三角形圓極化天線， 實現圓極化帶寬3%。 文獻[3]通過水平L形帶饋電實現了寬帶圓極化輻射。 文獻[4]提出了一種結構簡單的非對稱Y形分支耦合饋電的圓極化微帶天線， 圓極化帶寬3.79%。 文獻[5]在微帶方形貼片上加載8個短路釘實現了高增益圓極化輻射。 本文提出了一種新型圓極化微帶天線結構， 通過在三角形貼片上加載縫隙和枝節展寬圓極化帶寬， 實現了圓極化帶寬5.4%， HFSS仿真結果表明天線性能良好。

1 天線設計

圓極化縫隙加載三角形微帶天線結構見圖1， 介質基板材料為相對介電常數εr=2.2的Rogers 5 880， 損耗角正切0.000 9， 介質基板厚度H1=1.574 mm， 基板與接地板之間有一層厚度為H0的空氣層， 等邊三角形貼片邊長為L0， 在三角形貼片上加載一條寬度為W2的與底邊平行的縫隙， 縫隙上加載枝節， 天線采用同軸饋電， 饋電位置與貼片右頂點的距離為L4， 同軸連接器（SMA）外導體與接地板相連， 探針穿過介質基板饋電到三角形貼片上， 通過縫隙和枝節在天線上產生兩個相位差90°的等幅正交的線極化電場分量[6]從而形成圓極化輻射， 天線具體參數見表1， 天線總體尺寸為0.74λ0×0.88λ0×0.09λ0， λ0為天線中心頻率2.4 GHz所對應的自由空間波長。

天線上的表面電流分布見圖2， 圖中可以看出該天線滿足產生圓極化波的條件。

2 仿真結果

2.1 天線阻抗帶寬

本文采用ANSYS HFSS 15對天線進行仿真分析， HFSS對天線回波損耗S11的仿真結果如圖3所示， 由于微帶天線是諧振式天線， 等效諧振電路的Q值很高， 因此阻抗帶寬很窄， 本文設計的天線采用空氣介質， 并在貼片上加載縫隙， 使阻抗帶寬得到了一定的擴展。 由圖3可看出， 在2.31～2.54 GHz 頻率范圍內回波損耗S11<-10 dB， 在2.41 GHz處回波損耗S11<-30 dB， 阻抗匹配最好， 相對阻抗帶寬9.6%。

2.2 天線軸比、 增益和方向圖

軸比是衡量天線極化性能的重要指標， 圓極化天線一般要求軸比小于3 dB。 對于圓極化天線來說， 如果圓極化帶寬 （軸比AR<3 dB）很小， 或與阻抗帶寬不重疊， 就會影響天線的應用頻率范圍[7]。 傳統單饋微帶圓極化天線的圓極化帶寬很窄， 本文由于采用縫隙和枝節使圓極化帶寬得到了一定的擴展。 天線軸比與頻率的關系圖、 圓極化增益與頻率關系圖和方向圖如圖4～6所示。

由圖4可知， 在2.41 GHz處軸比最小（AR=0.23 dB）， 在2.35～2.48 GHz頻率范圍內， 軸比AR<3 dB， 圓極化帶寬5.4%， 圓極化特性良好的頻段在天線阻抗帶寬（2.31～2.54 GHz）內。

由圖5可知， 該天線輻射左旋圓極化波， 天線在2.4 GHz處圓極化增益最大（8.11 dBic）， 在2.32～2.48 GHz頻率范圍內圓極化增益大于7.8 dBic。

綜合圖4～5可看出， 在2.35～2.48 GHz內約130 MHz頻帶內， 天線軸比AR<3 dB， 圓極化增益大于7.8 dBic， 天線既有良好的圓極化軸比， 又有良好的圓極化增益。 由圖6可知E面波束寬度為77°， H面波束寬度為62°。

3 參數分析

前文闡述了新型圓極化縫隙加載三角形微帶天線的結構參數和電磁性能， 當結構參數變化時， 天線的電磁性能隨之變化。? 本節主要研究枝節長度和饋電位置對天線回波損耗和軸比的影響。

3.1 不同枝節長度的影響

枝節是實現圓極化的關鍵結構， 枝節的長度對天線的回波損耗和軸比有比較重要的影響。 天線回波損耗S11隨枝節長度L2變化的趨勢如圖7所示， 隨著枝節長度L2的增加， 天線的中心頻率向高頻端移動， 阻抗匹配也逐漸變好。 其中L2=3 mm， 4 mm和5 mm時天線的回波損耗S11曲線最低點小于-30 dB， 但L2=4 mm和5 mm時S11曲線最低點偏離2.4 GHz較遠， 而L2=3 mm時天線在2.4 GHz附近的回波損耗最好。

天線軸比AR隨枝節長度L2變化的趨勢如圖8所示， 可以看出在1～4 mm范圍內隨著枝節長度L2的增加， 天線軸比AR逐漸向高頻端移動， 而L2=5 mm時軸比AR反而偏向低頻端， L2=3 mm時軸比在2.4 GHz附近最佳， 圓極化帶寬最大。 綜合圖7～8， 最佳枝節長度為L2=3 mm。

3.2 不同饋電位置的影響

饋電位置是微帶圓極化天線的重要參數， 對天線的阻抗匹配影響最大， 回波損耗與饋電位置密切相關。 天線回波損耗S11隨饋電位置L4變化的趨勢如圖9所示， 可以看出回波損耗S11隨饋電位置L4變化比較明顯， 隨著L4的增加， 天線的中心頻率逐漸向低頻端移動。 其中L4=15.2 mm， 16.2 mm和17.2 mm時S11曲線最低點小于-30 dB， 但L4=15.2 mm和16.2 mm時S11曲線最低點偏離2.4 GHz較遠， 而L4=17.2 mm時天線在2.4 GHz附近的回波損耗最好。

天線軸比AR隨饋電位置L4變化的趨勢如圖10所示， 可以看出隨著饋電位置L4的增加， 天線軸比AR逐漸向高頻端移動， 當L4=17.2 mm時軸比在2.4 GHz附近最佳， 圓極化帶寬最大。 綜合圖9～10， 最佳饋電位置為L4=17.2 mm。

4 結? 論

本文設計了一種新型圓極化縫隙加載三角形微帶天線， 通過縫隙和枝節在天線上產生兩個相位差90°的等幅正交的線極化電場分量， 從而形成圓極化輻射。 天線總體尺寸為0.74λ0×0.88λ0×0.09λ0， 仿真結果表明天線的阻抗帶寬9.6%（2.31～2.54 GHz）， 圓極化帶寬5.4%（2.35～2.48 GHz）， 軸比最小值0.23 dB， 增益最大值8.11 dBic。 本文提出的天線結構具有較寬的圓極化帶寬、 較高的圓極化增益和較小的體積， 在衛星導航和無線通信中具有較好的應用潛能。

參考文獻：

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