一種Z形寬頻帶圓極化天線設計

王洪琳，王孟宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

現代無線通信中越來越多地應用圓極化天線，因為它們可以抑制多徑干擾并減輕發射天線與接收天線之間的極化失配。由于微帶天線具有低剖面和低成本等優勢，人們通常利用微帶天線得到圓極化特性[1-4]。然而，微帶天線固有的窄帶特性限制了其在寬帶圓極化天線中的應用，特別是對于單饋圓極化微帶天線[3-4]。為了提高軸比帶寬，人們已經提出了很多有效的方法。例如：文獻[5]通過加載寄生結構展寬軸比帶寬；文獻[6]采用具有金屬通孔和分支的交叉偶極子來實現29.0%的軸比帶寬；文獻[7]采用環天線結構，并加載寄生結構實現30%的軸比帶寬；文獻[8]引入重疊的正方形環形天線，可以產生33%的軸比帶寬和53%的阻抗帶寬；采用L形槽產生正交模式激發圓極化波，天線具有47.8%的軸比帶寬。但是，這些具有超過30%軸比帶寬的天線[8-11]由于其不對稱結構而具有較差的方向圖。文獻[12-14]提出一些帶有各種饋電網絡的寬帶圓極化天線，但是它們的結構對實際工程應用而言太過復雜。

因此，文獻[15]提出采用Z形偶極子激發圓極化波，通過增加一對寄生貼片以得到寬帶特性。本文在其基礎上，采用Γ形饋電結構，并通過開圓形槽、增加枝節來進一步改善軸比帶寬。仿真結果表明，天線的阻抗帶寬為80%，軸比帶寬為58%。

1 天線結構與設計

Z形圓極化偶極子天線的結構如圖1所示。天線由開圓形槽的Z形偶極子、兩對寄生貼片Pa與Pb、Γ形饋電結構以及地板組成。其中，偶極子和寄生貼片印刷在天線頂部的FR4介質板下表面，介質板的尺寸為125 mm×125 mm×0.6 mm，相對介電常數為4.4，損耗正切為0.02。偶極子前端采用錐形設計，以達到更好的阻抗匹配。偶極子與地板之間形成磁電偶極子結構，等效磁偶極子中間是Γ形饋電結構，下端與一個50 Ω的微帶轉接頭(SMA)連接器相連接。最下方的正方形地板邊長為170 mm。

圖1 天線結構示意圖

通過將偶極子臂彎曲成L形，可以獲得圓極化特性。為了分析圓極化的工作原理，圖2給出了3個頻點處偶極子和寄生貼片上的表面電流分布，其中黑色箭頭表示經過疊加之后總電流的方向。

在1.9 GHz時，電流在偶極子與寄生貼片表面分布，當相位等于0°時，偶極子臂表面的電流向+y方向流動，而寄生貼片表面的電流向+x方向流動；而當相位等于90°時，偶極子臂與寄生貼片表面電流沿著-x和+y方向流動，疊加后的總電流方向與0°相位時的方向正交，并且隨著相位的增加沿著逆時針方向轉動，因此疊加之后的總場形成右旋圓極化。在2.5 GHz時，90°相位時疊加后的總電流方向與0°相位時的總電流方向正交，并且隨著相位的增加沿著逆時針方向轉動，因此實現右旋圓極化。同理，在3 GHz時，0°相位時的總電流方向沿逆時針方向旋轉90°，形成右旋圓極化波。

圖2 表面電流分布圖

2 仿真分析

圖3、圖4和圖5分別給出了天線駐波比、軸比以及增益的仿真結果。結果表明天線在1.50～3.52 GHz工作頻段內，駐波比小于2；在1.79～3.27 GHz頻段內，軸比小于3 dB。另外，在整個工作頻段(1.79～3.27 GHz)內增益保持穩定，且均大于3.4 dBic。

圖3 天線駐波比曲線

圖4 天線軸比曲線

圖5 天線增益曲線

從圖中可以看出，在1.50～3.52 GHz的頻帶內，駐波比小于2，天線阻抗匹配較好；在1.79～3.27 GHz的頻帶內，軸比小于3 dB。在整個工作頻帶(1.79～3.27 GHz)內，天線增益比較穩定，且在1.7～2.9 GHz的頻段內增益較高。

圖6給出了天線在1.9 GHz、2.5 GHz以及3.0 GHz的歸一化遠場輻射方向圖，包括XOZ平面和YOZ平面，從圖中可以看出，天線在工作頻帶內具有穩定的右旋圓極化模式，其中，天線中高頻輻射方向圖的最大值偏移是由于天線結構不對稱性的影響。

圖6 天線的歸一化遠場輻射方向圖

3 結束語

本文進一步研究了單饋偶極子圓極化天線，為設計寬帶偶極子圓極化天線提供了一種有效的方法。在傳統偶極子天線基礎上通過將偶極子臂彎折為L形，調整長度來實現天線圓極化特性，并通過增加寄生貼片、調整貼片尺寸的方法來改善阻抗帶寬，通過增加枝節以及開圓形槽的方式提高軸比帶寬，不斷優化并進行仿真，使得該天線在1.50～3.52 GHz的頻帶內滿足VSWR<2，在1.79～3.27 GHz的工作頻帶內滿足AR<3，平均增益為8 dBic。由仿真數據可知，實現了天線在相應頻段內的圓極化以及超寬帶特性，用以提升天線的抗多徑干擾、抑制雨霧干擾，并且能夠增加信道容量，為實際工程應用提供了一種較為簡單合理的設計方法。

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