小型化寬頻帶圓極化半圓形微帶貼片天線

楊 放，衛(wèi)銘斐，周軍妮，王 純

(西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

單點饋電的微帶貼片天線具有尺寸小、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、易于共形、便于集成、可批量生產(chǎn)、多樣化的電性能等優(yōu)點，而圓極化的極化方式具有抗干擾能力強、對天線指向要求低的特點，因此，無論在軍事還是民用方面，圓極化微帶貼片天線都備受青睞[1-2]。但是普通的微帶貼片天線不僅阻抗帶寬很窄，而且通過貼片切角[3]、貼片開槽[4]、非對稱的貼片邊界[5]等方法實現(xiàn)圓極化輻射時，圓極化帶寬也很窄，難以滿足無線通信系統(tǒng)對天線阻抗和圓極化帶寬的要求。因此，研究小型化、圓極化、寬帶化微帶貼片天線的設(shè)計方法具有很重要的意義。

單點饋電的單貼片微帶天線實現(xiàn)圓極化的方法的物理本質(zhì)是通過在貼片上引入非對稱擾動形成兩個相位差是90°的正交模式，因此其圓極化帶寬很窄[6]。為了實現(xiàn)雙頻和寬帶工作，可采用層疊貼片[2，7-8]、共面無源寄生貼片[9]等方法，但是這兩種方法增大了天線的尺寸。采用較厚的空氣介質(zhì)、耦合饋電補償探針電感的方法展寬帶寬，可將天線的圓極化帶寬提高到6%左右[10]。文獻[11]通過在接地板上開非對稱的十字形槽實現(xiàn)圓極化，雖然圓極化帶寬達到了30%，但是天線的輻射是雙向的，增益很低。貼片上開U形槽[12]和E形貼片[13]是展寬微帶天線阻抗帶寬的兩種常用方法，可把阻抗帶寬提高到30%以上。文獻[14]提出在半圓形貼片上開矩形槽實現(xiàn)天線的寬帶工作。和E形貼片相比，半圓形微帶天線具有更小的貼片面積。文獻[15]提出在貼片上開非對稱的U形槽實現(xiàn)圓極化，圓極化帶寬為4%。文獻[16]提出了非對稱的圓極化E形貼片天線，把單貼片微帶天線的圓極化帶寬提高到了6.5%，阻抗帶寬為10.1%。文獻[17]把開U形槽、L形探針饋電、較厚的空氣介質(zhì)和貼片切角相結(jié)合實現(xiàn)寬帶圓極化，當(dāng)介質(zhì)厚度為0.2個波長時，最大圓極化帶寬達到了14%。

針對無線通信中單貼片圓極化微帶貼片天線帶寬很窄的問題，本文提出了小型化半圓形寬頻帶圓極化微帶天線。該天線可應(yīng)用在2.4 GHz短距離無線通信領(lǐng)域，其設(shè)計思想也可用于其他頻段無線通信中微帶貼片天線的設(shè)計。

1 微帶貼片天線圓極化的原理

圖1是一個普通的同軸探針饋電對角線切角的圓極化微帶貼片天線的輻射貼片。在正方形金屬貼片對角上切去一個角，天線的基本模式分解為對角線上兩個不同頻率的正交模式(模式1和模式2)。在某個頻率點，兩個模式的相位差為90°，合成后形成圓極化輻射。因為只在一個頻率點兩個模式的相位差是90°，因此天線的圓極化帶寬很窄。天線軸比AR定義為[6]

(1)

式(1)中，Eθ，Eφ分別為輻射電場在兩個θ，φ兩個方向的分量。天線的圓極化帶寬定義為最大輻射方向上軸比小于3 dB的頻率范圍。

天線的回波損耗定義為[18]

S11=20lg|Γ|

(2)

(3)

式(3)中，Zin，Z0分別為天線的輸入阻抗和傳輸線的特性阻抗。天線的阻抗帶寬定義為回波損耗小于10 dB的頻率范圍。對于微帶貼片天線，其阻抗帶寬和圓極化帶寬通常是重合的，圓極化帶寬小于阻抗帶寬，其帶寬與介質(zhì)基板的厚度、介電常數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

2 寬帶圓極化半圓形微帶貼片天線

圖2是本文提出的圓極化半圓形微帶天線的頂視圖和側(cè)視圖。在直徑為72.5 mm半圓形金屬貼片上開兩個矩形槽，不僅兩個槽的尺寸不同，而且與饋電點的距離也不同。兩個槽的長度分別為32.1 mm和15.7 mm，與饋電點的距離分別為9.2 mm和11.0 mm，寬度為4 mm，饋電點位于半圓形貼片的對稱軸線上。介質(zhì)層為1.6 mm的廉價FR4環(huán)氧樹脂板和13.4 mm的空氣層組成的層疊介質(zhì)。在FR4介質(zhì)層的另一側(cè)印刷一個半徑為4.5 mm的圓形金屬貼片，和半徑為0.6 mm的圓柱形饋電探針形成容性臨近耦合饋電，補償較長饋電探針引起的分布電感。天線的接地板為邊長為100 mm的正方形金屬板。饋電同軸線的特性阻抗為50 Ω。

在設(shè)計中，要求天線工作在2.4～2.5 GHz，在軸向形成圓極化輻射，并具有較小的尺寸、較寬的波束寬度和較高的增益，同時盡可能增大天線的阻抗和圓極化帶寬。其設(shè)計思想是通過開不同尺寸的槽在貼片上形成旋轉(zhuǎn)的電流分布實現(xiàn)圓極化，通過臨近耦合的饋電方式展寬天線的阻抗和圓極化帶寬。在設(shè)計的過程中，通過改變貼片的大小調(diào)節(jié)天線的工作頻率，改變饋電點的位置、耦合貼片的尺寸調(diào)節(jié)天線和傳輸線的阻抗匹配特性，調(diào)節(jié)開槽位置和尺寸調(diào)節(jié)天線的圓極化特性，經(jīng)過仿真分析和參數(shù)優(yōu)化得到最終的設(shè)計結(jié)果。

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗證提出的方法的有效性，本文應(yīng)用美國高頻電磁仿真軟件ANSOFT HFSS15.0對該天線進行了仿真分析和設(shè)計。圖3是天線的回波損耗S11和軸向軸比AR隨頻率的變化曲線。可見，天線在2.30～3.04 GHz頻率范圍內(nèi)S11<-10 dB，阻抗帶寬達到了27.7%；天線在2.37～2.54 GHz范圍內(nèi)AR<3 dB，圓極化帶寬為6.9%。

天線的圓極化輻射特性可由天線上的電流分布的變化得到分析。圖4給出了天線在2.45 GHz，ωt=0°，90°，180°，270°等一個周期內(nèi)四個不同時刻貼片上的電流分布。可以看出，貼片上的電流隨時間的變化按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，因此天線在軸向形成右旋圓極化輻射。圖5為2.45 GHz時天線的三維增益方向圖，其右旋圓極化分量增益大于6 dB，左旋圓極化分量增益小于-5 dB，并且方向圖具有良好的波束對稱性。

表1比較了本文提出的半圓形圓極化微帶天線和文獻[15]提出的開U形槽的圓極化微帶天線、文獻[16]提出的E形圓極化微帶天線的輻射貼片面積、天線總尺寸、阻抗帶寬和圓極化帶寬。可以看出，和圓極化E形微帶天線相比，本文提出的半圓形圓極化微帶天線貼片面積縮小了40%，而且具有更大的阻抗和圓極化帶寬，在展寬帶寬的同時實現(xiàn)了天線的小型化設(shè)計。

表1 本文天線與文獻[15-16]天線比較

Tab.1 Comparison with reference[15-16]

貼片面積/mm2阻抗帶寬/GHz,%圓極化帶寬/GHz,%天線總尺寸/mm本文結(jié)果(半圓形微帶天線)2 0642.30～3.04,27.72.37～2.54,6.9100×100×15文獻[15](開U形槽的微帶天線)1 9982.27～2.48,92.27～2.36,4102×102×11文獻[16](E形微帶天線)3 4202.35～2.60,10.12.38～2.54,6.5200×95×10

4 結(jié)論

本文提出了寬帶圓極化小型化微帶貼片天線。該天線通過在半圓形貼片上開一組非對稱槽和臨近耦合饋電的饋電方式實現(xiàn)了寬帶圓極化輻射。仿真結(jié)果表明，當(dāng)介質(zhì)層厚度為0.13個波長時，天線的圓極化帶寬可達6.9%。該天線可應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。

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