寬帶圓極化單極天線的設(shè)計(jì)

韓麗萍，邢亞龍，王五一

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

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寬帶圓極化單極天線的設(shè)計(jì)

韓麗萍，邢亞龍，王五一

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

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶圓極化單極天線.天線的輻射單元采用C型結(jié)構(gòu)，使天線的基模分解成兩個(gè)正交的簡(jiǎn)并模，從而實(shí)現(xiàn)圓極化.通過在接地板增加一個(gè)枝節(jié)，改善了天線的阻抗帶寬和軸比帶寬.仿真和測(cè)量結(jié)果表明：天線可以工作在3.4～3.6 GHz的WiMAX頻段，天線阻抗帶寬為44.4% (2.89～4.54 GHz)，軸比帶寬為29.1% (3.12～4.18 GHz).

寬帶；圓極化；單極天線；阻抗帶寬；軸比帶寬

隨著無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，需要滿足通信質(zhì)量和通信容量的需求，提高通信抗干擾能力，圓極化天線由于其收發(fā)獨(dú)立性、多徑反射低等特點(diǎn)引起了廣泛的關(guān)注[1].P.C.Sharma采用切角方法設(shè)計(jì)了圓極化微帶天線[2].D.C.Seo利用兩個(gè)開口環(huán)結(jié)構(gòu)的線極化天線層疊組合設(shè)計(jì)了圓極化微帶天線[3].文獻(xiàn)[4]提出了一種圓極化單極天線，天線使用Y型結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整Y型結(jié)構(gòu)兩個(gè)臂長(zhǎng)來得到90°相位差從而產(chǎn)生圓極化模式.C.J.Wang提出了一種共面波導(dǎo)單極天線[5].但是這些天線的3dB軸比帶寬比較窄，并不能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮很好的作用.

為了滿足無線通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)傳輸率要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了寬帶圓極化天線的設(shè)計(jì)方案.文獻(xiàn)[6]提出了一種用L型條帶饋電并加載短路針的方法將天線的軸比帶寬提高到16.9%.W.L.Quan等利用多層結(jié)構(gòu)將軸比帶寬提高到了16.8%[7].文獻(xiàn)[8]提出了一種L型單極天線，其軸比帶寬達(dá)到了23%.文獻(xiàn)[9]提出了一種在切角貼片周圍放置矩形寄生單元的方法，使天線的軸比帶寬達(dá)到了24%.文獻(xiàn)[10]提出用功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)的方法，使軸比帶寬達(dá)到了28%.然而這些天線在拓寬帶寬的同時(shí)卻以犧牲尺寸為代價(jià).因此，設(shè)計(jì)小型化天線和寬帶天線仍是天線設(shè)計(jì)者們面臨的挑戰(zhàn).

本文設(shè)計(jì)了一種寬帶圓極化單極天線.天線的輻射單元采用C型結(jié)構(gòu)，基模分解成兩個(gè)正交的簡(jiǎn)并模，從而實(shí)現(xiàn)圓極化.通過在接地板上加一個(gè)枝節(jié)實(shí)現(xiàn)了阻抗帶寬和軸比帶寬的改善.實(shí)測(cè)的阻抗帶寬為44.4 %(2.89～4.54 GHz)，軸比帶寬為29.1%(3.12～4.18 GHz)，結(jié)果表明天線可以工作在3.4～3.6 GHz的WiMAX頻段.

1　圓極化單極天線

圓極化單極天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示.天線包括3層，上層為天線的輻射單元以及50 Ω微帶饋線，中間層為介質(zhì)基板，下層為天線的接地板.輻射單元采用C型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使天線在x方向以及y方向上產(chǎn)生兩個(gè)相位差為90°的正交線極化模式，從而實(shí)現(xiàn)圓極化.選用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm 的FR4介質(zhì)基板.利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化的參數(shù)為：L=W=40 mm，l1=10.5 mm，l2=l3=24 mm，l4=8 mm，lf=12 mm，wf=3 mm，w1=3 mm，d=1 mm.圖2是圓極化單極天線的反射系數(shù)曲線和軸比曲線，從中可以看出，天線的阻抗帶寬是45 % (2.95～4.7 GHz)，軸比帶寬是26% (3～3.9 GHz).

圖1　圓極化單極天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Configuration of circular polarized monopole antenna

圖2　反射系數(shù)和軸比曲線Fig.2　Reflection coefficients and axial ratio

圖3　天線在3.5 GHz時(shí)電流分布Fig.3　Current distribution of antenna at 3.5 GHz

為了說明天線產(chǎn)生圓極化輻射的原理，圖3給出天線在3.5 GHz，相位分別為0°，90°，180°，270°時(shí)的表面電流分布.從中可以看出，電流隨著相位的增加逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，形成了右旋極化.如果想要得到左旋極化，將天線輻射單元沿x方向反向放置即可.

通過對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)天線的輻射單元與接地板之間的距離是影響天線性能的主要因素.圖4，圖5分別是d對(duì)天線反射系數(shù)和軸比的影響.從中可以看出，天線的阻抗帶寬和軸比帶寬會(huì)隨著d的增大而增大.但是，當(dāng)d增大到2 mm時(shí)，天線的阻抗帶寬在3.75 GHz附近的反射系數(shù)會(huì)大于-10 dB.

圖4　d變化時(shí)的反射系數(shù)Fig.4　Reflection coefficients for different d

圖5　d變化時(shí)的軸比Fig.5　Axial ratio for different d

2　寬帶圓極化單極天線

寬帶圓極化單極天線的結(jié)構(gòu)如圖6所示.天線結(jié)構(gòu)與第1節(jié)設(shè)計(jì)的圓極化單極天線基本相同，不同之處是在接地板上增加了一個(gè)枝節(jié)，參數(shù)優(yōu)化后只有輻射單元與接地板之間的距離改變，具體參數(shù)為：d=2 mm，ds=3 mm，ls=8 mm，ws=3 mm.圖7是接地板有無枝節(jié)時(shí)天線的反射系數(shù)曲線和軸比曲線.由圖7可見，天線的阻抗帶寬由45% (2.95～4.7 GHz) 增加到了47% (2.89-4.72 GHz)，軸比帶寬由 26% (3～3.9 GHz) 增加到30% (2.96～4.02 GHz).

圖6　寬帶型圓極化單極天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　Configuration of wideband circular polarized antenna

圖7　有無枝節(jié)時(shí)的反射系數(shù)Fig.7　Reflection coefficients and axial ratio with/without stub

通過對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)枝節(jié)的位置及長(zhǎng)度對(duì)天線性能的影響較大.為了便于結(jié)果分析，在考察每個(gè)參數(shù)的影響時(shí)，其他參數(shù)保持不變.圖8是ds對(duì)天線反射系數(shù)以及軸比的影響.從圖8(a) 中可以看出，隨著ds增加，天線的最高諧振頻率向上偏移，而最低諧振頻率幾乎不變.從圖8(b) 中可以看出，當(dāng) ds=3 mm時(shí)天線的軸比帶寬達(dá)到最大.圖9是ls對(duì)天線反射系數(shù)以及軸比的影響.由圖9可見，隨著ls的變化，天線的阻抗帶寬幾乎不變.ls對(duì)軸比影響較大，為了得到最大的軸比帶寬，選取ls=8 mm.

圖8　ds對(duì)天線性能的影響Fig.8　Effect of ds on antenna performance

圖9　ls對(duì)天線性能的影響Fig.9　Effect of ls on antenna performanc

3　仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上，圖10是天線的實(shí)物圖.采用Agilent公司N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)，采用Lab-Volt公司8092型自動(dòng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的軸比.

圖10　天線實(shí)物圖Fig.10　Photos of antenna

圖11是天線反射系數(shù)曲線的仿真和測(cè)量結(jié)果.從中可以看出仿真和測(cè)量結(jié)果很好地吻合，仿真的阻抗帶寬是47% (2.89～4.72 GHz)，實(shí)測(cè)的阻抗帶寬是44.4 % (2.89～4.54 GHz).圖12是天線軸比曲線的仿真和測(cè)量結(jié)果.可見，仿真和測(cè)量結(jié)果基本吻合，實(shí)測(cè)的軸比帶寬是29.1% (3.12～4.18 GHz).與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)的軸比數(shù)據(jù)整體向上偏移，這主要是由于SMA接頭、介質(zhì)基板的介電常數(shù)不精確以及加工誤差引起的.

圖11　仿真和測(cè)量的反射系數(shù)Fig.11　Simulated and measured reflection coefficients

圖12　仿真和測(cè)量的軸比Fig.12　Simulated and measured axial ratio

4　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶圓極化單極天線.為了實(shí)現(xiàn)圓極化，天線的輻射單元采用C型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使天線的基本諧振模式分解成兩個(gè)正交的簡(jiǎn)并模，從而實(shí)現(xiàn)圓極化.通過在接地板上增加一個(gè)枝節(jié)，改善了天線的阻抗帶寬和軸比帶寬.該天線具有低成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工等特點(diǎn).實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線可以工作在3.4～3.6 GHz的Wimax頻段，性能滿足實(shí)際應(yīng)用要求.

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Design of Broadband Circularly Polarized Monopole Antenna

HAN Liping,XING Yalong,WANG Wuyi

(College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

A broadband circularly polarized monopole antenna is proposed in this paper.To realize circularly polarized radiation,a C-shaped element is used,which can split the fundamental mode into two orthogonal near-degenerate degenerate modes.By adding a stub on the ground,both the impedance bandwidth and the axial ratio bandwidth could be improved.The simulated and measured results show that the proposed antenna can operate at Wimax bands (3.4 GHz～3.6 GHz).The impedance bandwidth of the antenna is 44.4% (2.89 GHz～4.54 GHz),and the 3 dB axial ratio bandwidth is 29.1% (3.12 GHz～4.18 GHz).

broadband; circularly polarization; monopole antenna; impedance bandwidth; axial ratio bandwidth

1671-7449(2016)05-0417-05

2016-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172045)；國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(J1210036)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012011013-3)

韓麗萍(1970-)，女，副教授，主要從事微帶天線的研究.

TN821+.3

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.009