多頻段寬帶圓極化天線的研究與設(shè)計

韓國瑞，柳 青，毛 沖，裴立力

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

微帶天線由于其易加工、重量較輕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無線通信等領(lǐng)域.而圓極化天線能抑制外來波的干擾，減輕多徑傳播效應(yīng)，消除極化畸變，因此被廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域.文獻(xiàn)[1]中主要研究了如何用微帶貼片天線產(chǎn)生圓極化波，其關(guān)鍵是產(chǎn)生兩個極化方向正交、幅度相等且相位相差90°的線極化波.例如一個單點饋電的矩形微帶貼片會產(chǎn)生幅度相等且極化正交的兩個簡并模，但其相位差并不是90°，而對矩形貼片的兩個對角進(jìn)行切角后，兩個簡并模在工作頻率上的相角就會產(chǎn)生偏移,當(dāng)相位一個超前45°一個滯后45°時就實現(xiàn)了圓極化波；文獻(xiàn)[2]中提出了一種新型的小型雙頻圓極化貼片天線，通過開槽實現(xiàn)了圓極化，其工作在 2.45 GHz 和5.04 GHz,其工作帶寬分別為1.26%，0.92%,各頻段內(nèi)的峰值增益分別為1.25 dBi和1.32 dBi;文獻(xiàn)[3]中設(shè)計了一種寬帶圓極化的交叉偶極子天線，天線由兩個3/4圓環(huán)插入到兩組正交的偶極子天線之間來實現(xiàn)圓極化，其阻抗帶寬為 1.5～5.2 GHz，3 dB 軸比帶寬為1.67～3.77 GHz，增益最高可達(dá)到7.2 dBi，實現(xiàn)了寬頻圓極化的特性.

多頻圓極化天線可以綜合圓極化特性和多頻段特性，被廣泛地應(yīng)用于多個方面.為了實現(xiàn)多頻段，可以通過將多個貼片堆疊放置來實現(xiàn).堆疊形圓極化天線具有集成方便、有效利用孔徑面積、低旁瓣等優(yōu)點[4-6].在文獻(xiàn)[7]中采用堆疊的LTCC結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種雙頻圓極化寬波束天線，阻抗帶寬為36 MHz，3 dB波束寬度為-89°～89°；文獻(xiàn)[8]中設(shè)計了一種雙頻帶切角形的圓極化天線，應(yīng)用在Argos-3中，其相對帶寬為3.46% 和4.54%；文獻(xiàn)[9]采用堆疊的形式來實現(xiàn)寬頻模式，天線中心頻率為2.05 GHz，相對帶寬為16%，相對軸比帶寬為8%；文獻(xiàn)[10]中，天線采取在環(huán)形貼片上切角的形式產(chǎn)生圓極化，天線軸比帶寬較好，增益可達(dá)到 7.5 dBi 左右；為了得到更好的天線模型，文獻(xiàn)[11]中采用頻率選擇表面來改善反射系數(shù).

本文設(shè)計了一種3頻段切角形寬帶圓極化天線.天線由3層貼片堆疊形成，饋電采用同軸探針饋電，每層貼片采用切去其貼片右對角線的切角來產(chǎn)生圓極化波，下層貼片和中層貼片通過蝕刻矩形縫隙來提高天線阻抗帶寬和軸比帶寬.這種結(jié)構(gòu)的天線具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡單、阻抗帶寬和軸比帶寬較寬的特點.

1 天線基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of antenna

該天線由在3層FR4介質(zhì)板上蝕刻的3個不同尺寸的方形貼片構(gòu)成.介質(zhì)板厚度從上到下分別為h1=h2=0.4 mm,h3=1.6 mm.天線的上層、中層與下層貼片均為正方形，尺寸分別為a1,a2,a3，其工作頻率分別覆蓋WLAN的 2.1 GHz,2.4 GHz,3.5 GHz 3個頻段.天線上層貼片饋電采用50 Ω的同軸探針饋電.同軸探針半徑為r1,中間和下層貼片上蝕刻半徑為r2的圓形孔，同軸探針穿過這些圓形縫隙給上層貼片饋電，其坐標(biāo)位置為(l1,0).中層和下層貼片通過上層貼片的耦合進(jìn)行激勵.為了提高天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，在中層貼片上蝕刻了長寬均為b2的方形縫隙；在下層貼片上蝕刻長寬均為b4的方形縫隙.另外，在中層蝕刻坐標(biāo)為(-c1,0),長為c3，寬為c4的矩形窄縫來改善中間貼片的阻抗匹配問題.根據(jù)天線的工作頻率和介質(zhì)基板的厚度以及介電常數(shù)等參數(shù)，可計算得到天線的參數(shù)，并在HFSS仿真軟件中進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后的部分天線尺寸如表1 所示.

表1 天線各部分的尺寸Tab.1 The values of antenna

2 天線參數(shù)的影響

天線結(jié)構(gòu)中，中層貼片蝕刻的矩形縫隙以及下層貼片蝕刻的方形縫隙對天線的反射系數(shù)和軸比的影響很大，在分析某一參數(shù)對性能的影響時，其他參數(shù)保持不變.

圖2 給出了中層貼片蝕刻的矩形縫隙的寬度c3為0.5 mm，1 mm和1.5 mm時，天線反射系數(shù)與頻率變化的曲線.從圖2 中看出，隨著c3的逐漸增大，天線在高頻處阻抗帶寬逐漸減小.對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)c3為0.5 mm時，天線在3.48 GHz處阻抗帶寬最大，故選擇c3為0.5 mm.

圖2 天線參數(shù)c3對天線S11的影響Fig.2 The S11 with different c3

圖3 分析了中層貼片蝕刻的矩形縫隙的長度c4為9 mm，10 mm和11 mm時，天線反射系數(shù)與頻率變化的曲線.從圖3中看出，隨著c4的逐漸增大，天線在低頻處諧振頻率有緩慢上升的趨勢.對比發(fā)現(xiàn)，c4=10 mm時，天線在2.05 GHz和 2.45 GHz 處反射系數(shù)最大，說明天線傳輸性能此時最好，故選擇c4為10 mm.

圖3 天線參數(shù)c4對天線S11的影響Fig.3 The S11 with different c4

圖4 天線參數(shù)b3對天線S11的影響Fig.4 The S11 with different b3

圖4 分析了下層貼片蝕刻的方形縫隙的長寬尺度b3為7 mm,8 mm和9 mm時，天線反射系數(shù)與頻率變化的曲線.從圖4中可以看出，隨著b3的增大，天線在低頻的諧振頻率逐漸降低.對比發(fā)現(xiàn)，天線在b3=8 mm時在2.45 GHz處反射系數(shù)最大，且在2.05 GHz時天線阻抗帶寬在3者中最寬，故選擇下層貼片蝕刻方形縫隙長寬b3都為8 mm.

3 天線仿真結(jié)果

在HFSS15中，我們對天線參數(shù)進(jìn)行仿真.如圖5 是天線反射系數(shù)的仿真圖，對比下層貼片和中間貼片沒有蝕刻方形縫隙，只是3層介質(zhì)板上蝕刻3個貼片，且3層介質(zhì)板堆疊在一起的參考天線的反射系數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)其相對帶寬得到明顯增強(qiáng)，3個頻率的工作頻帶分別為2～2.08 GHz，2.38～2.49 GHz 和3.4～3.48 GHz，相應(yīng)的相對帶寬分別為3.8%，4.5%，5.1%.而之前的堆疊貼片沒有蝕刻方形縫隙的圓極化貼片天線，在工作頻率為2.05 GHz 的情況下，相對帶寬為0.9%；當(dāng)工作頻率為2.45 GHz時，相對帶寬為1.6%；當(dāng)工作頻率為3.48 GHz時，相對帶寬為2.8%.即工作頻率為2.05 GHz時，相對帶寬為原來的4.2倍；工作頻率為2.45 GHz時，相對帶寬為原來的2.8倍；工作頻率為3.48 GHz時，相對帶寬為原來的1.8倍.

圖5 蝕刻縫隙前后S11圖Fig.5 S11 with and without the gaps

圖6 為3個頻率段上的中心頻率點2.05 GHz，2.45 GHz,3.48 GHz的輻射方向圖.可以看出，天線的定向輻射性較強(qiáng).天線在Z軸正向具有良好的左旋圓極化性能，對應(yīng)的在Z軸負(fù)向，即天線的背部具有良好的右旋圓極化性能.

天線的輻射軸比如圖7 所示.天線最小軸比為 0.9 dB，在2.05 GHz處取到.由于切角形貼片產(chǎn)生圓極化的方法，其 3 dB 軸比帶寬都很窄，在2.05 GHz,2.45 GHz,3.48 GHz頻率上產(chǎn)生的軸比相對帶寬為1.0%，0.58%，0.91%.

圖6 天線輻射圖Fig.6 Radiation patterns of the antenna

圖7 天線軸比圖Fig.7 AR of the antenna

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一款多頻寬帶切角圓極化天線，天線工作頻率覆蓋WLAN頻段.天線采用3層堆疊貼片來實現(xiàn)多頻工作，并在中層貼片蝕刻一個矩形縫隙來提高其阻抗匹配，在下層貼片和中層貼片開方形縫隙來增大天線的阻抗帶寬和軸比帶寬.仿真結(jié)果表明，天線中心頻率分別為 2.05 GHz,2.45 GHz,3.48 GHz，其帶寬分別為3.8%，4.5%，5.1%，與未蝕刻方形縫隙時比較，相對帶寬比之前提高了4.2倍，2.8倍和1.8倍.天線輻射方向圖呈現(xiàn)較好的左旋圓極化特性.