基于阿基米德螺旋縫隙的寬帶圓極化天線設計

王 宸

(中國西南電子技術研究所,四川 成都 610036)

0 引 言

眾所周知，當圓極化波到達均勻物體時會反射極化反向的圓極化波。此外，圓極化天線可以接收任意極化來波的同時，它的散射波也可以被任意極化天線所接收[1]。因此,為了發射和接收天線可以靈活定向且避免嚴重的極化失配，圓極化天線在雷達、無線通信和導航等領域引起了廣泛關注[2-4]。而印刷天線由于低剖面、結構簡單、易于加工的優點也同樣受到關注。因此圓極化印刷微帶天線成為大量學者的研究方向。

在近幾年的圓極化天線研究中，雙饋圓極化天線比單饋圓極化天線具有更寬的阻抗帶寬和軸比帶寬。但為了達到雙饋點90°的相位差，往往需要復雜的饋電網絡[5]。如何利用單點饋電達到寬帶圓極化，成為了圓極化天線的新課題。國內外學者在這方面做了大量研究，設計了多種天線形式(如介質諧振天線[6]、可重構貼片天線[7]、單極天線[8]以及印刷縫隙天線[9-10])。雖然上述天線均提高了圓極化工作帶寬，但最大的3 dB軸比帶寬仍然小于40%。

本文提出一種基于阿基米德螺旋漸變結構的寬帶印刷圓極化天線。該天線由漸變的微帶線饋電，通過槽線-微帶過渡將微帶饋線與漸變縫隙輻射結構連接，通過優化結構參數得到較寬的軸比和阻抗帶寬。

1 天線設計

圖1為天線結構示意圖。天線介質板厚1.5 mm，長寬為55 mm×55 mm，相對介電常數為4.4。射頻信號通過射頻接頭傳輸到微帶線，再耦合到縫隙線。微帶線可以與SMA射頻接頭焊接，從而使天線可以與基于印刷電路板(PCB)的射頻電路相連，降低制造成本。其中W1為梯形漸變微帶線的起始寬度，W2為最終寬度。為避免微帶饋電線超出縫隙線邊沿，耦合到輻射縫隙內部影響輻射特性，在漸變微帶線頂端加載T形結構。最終射頻信號在寬度漸變縫隙兩邊形成表面波，從而激勵起圓極化波。2條螺旋線F1，F2和弧線F3形成了輻射縫隙。F1以O點為中心的極坐標方程可表示為：

r=k+S1·φ，φ=[t1,2π]

(1)

F2以O點為中心的極坐標方程為：

r=k+ku+S2·φ，φ=[t2,2π]

(2)

式中：k為螺旋線起始半徑；ku為漸變縫隙的初始寬度(即F1與F2在φ=0時之間的距離)；S1、S2分別為2條螺旋線的漸變常數；φ為方位角；r為原點O到曲線上任意一點的距離；t1，t2分別為2條螺旋線方位角φ的起始值。

利用電磁仿真軟件HFSS進行仿真，最后得到天線的最優結構尺寸參數如表1所示。

表1 結構尺寸參數表

圖1 天線結構示意圖 (淺色為上層覆銅、深色部分為下層覆銅，無色部分為縫隙)

2 結果與討論

為了研究天線主要尺寸參數對主要電性能(電壓駐波比和軸比)的影響，利用電磁仿真軟件HFSS進行仿真分析。圖2、圖3、圖4分別給出了主要結構尺寸參數(k、S1、g)取值不同時，天線電壓駐波比和軸比對應的變化曲線。

圖2 (a)和(b)給出了漸變縫隙的起始半徑k取不同值時，對天線電性能影響的仿真結果。從圖2中可以看出，隨著參數k不斷加大，天線諧振點(即駐波比最小點)逐漸移動到較低頻率。同時軸比帶寬變窄。

圖2 參數k對天線電性能的影響

圖3(a)和(b)分別為參數S1、S2對駐波比和軸比影響的仿真曲線。從圖3可以看出，隨著參數S1、S2的增加，電壓駐波比曲線抖動明顯，同時諧振點會移向較低頻率方向；高頻部分軸比變差，低頻部分軸比變化無規律。

圖3 參數S1、S2對天線電性能的影響

圖4的(a)和(b)為g取值不同時，天線駐波比和軸比的仿真結果。從圖中看出，隨著g逐漸增長，電壓駐波比曲線抖動減弱，同時帶寬變窄；軸比帶寬先變寬，后變窄。

圖4 參數g對天線電性能的影響

經過不斷優化，最優參數下天線阻抗帶寬仿真結果如圖5所示。可以看出，電壓駐波比小于2的阻抗帶寬范圍從3.2 GHz到6.5 GHz，相對于中心頻率4.9 GHz的相對帶寬達到67%。圖6給出了天線軸比仿真結果。可以看出，該天線的3 dB軸比帶寬范圍從4 GHz到6.4 GHz，相對于中心頻率5.2 GHz的相對帶寬達到了46%。

圖5 天線電壓駐波比曲線

圖6 天線軸比曲線

圖7為天線在4 GHz、5 GHz和6 GHz 3個頻點處的輻射方向圖。從不同切面(圖1中所示坐標系下的X-Z和Y-Z面)的方向圖可以看出天線具有良好的圓極化輻射性能。

圖7 天線的輻射方向圖

圖8給出了4～6.4 GHz范圍內天線最大增益曲線。從圖中可以看出，天線具有大于等于4.6 dBic的增益，帶寬內波動在0.7 dB以內。

圖8 天線的增益曲線

3 結束語

本文設計了一種基于阿基米德螺旋縫隙的寬帶圓極化天線。從優化后的結果可以看出3 dB軸比帶寬達到了46%(4～6.4 GHz)，阻抗帶寬達到了67% (3.2～6.5 GHz)，而且最大增益也達到了4.5 dBic以上(4～6.4 GHz)。因此，該天線具備帶寬特性以及良好的圓極化輻射方向圖和增益，可以滿足圓極化無線通信系統對寬頻帶的需求。