一種新型圓極化縫隙加載三角形微帶天線

李貴棟 張文濤 稂華清

摘 要：?????? 為了提高圓極化微帶天線性能， 提出一種新型圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)， 通過在三角形貼片上加載縫隙和枝節(jié)展寬圓極化帶寬， 天線總體尺寸為0.74λ0×0.88λ0×0.09λ0。 HFSS仿真結(jié)果表明該天線阻抗帶寬（回波損耗S11<-10 dB）9.6%， 圓極化帶寬（軸比AR<3 dB）5.4%， 軸比最小值0.23 dB， 增益最大值8.11 dBic。 該天線的圓極化性能較好， 在衛(wèi)星導(dǎo)航和無線通信中具有很好的應(yīng)用潛能。

關(guān)鍵詞：???? 圓極化; 三角形貼片; 縫隙加載; 微帶天線

中圖分類號：??? V243.2; TN821+.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：??? A文章編號：???? 1673-5048（2018）01-0077-04

0 引? 言

圓極化微帶天線因剖面低、 重量輕、 能共形、 易集成、 抗干擾等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于通信、 雷達(dá)、 衛(wèi)星導(dǎo)航、 電子偵察和電子對抗等領(lǐng)域。 微帶天線圓極化實(shí)現(xiàn)方法分單饋法、 多饋法和多元法三類[1]： 單饋法通常采用方形貼片切角或者加枝節(jié)產(chǎn)生兩個(gè)相位差90°的正交簡并模來實(shí)現(xiàn)圓極化， 結(jié)構(gòu)簡單、 尺寸小， 但是圓極化帶寬很窄， 通常只有1%左右; 多饋法通過饋電網(wǎng)絡(luò)或兩個(gè)饋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圓極化， 帶寬較寬但結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸較大; 多元法使用多個(gè)線極化輻射元組成天線陣合成圓極化， 帶寬較寬、 增益高， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 尺寸大。 單饋法易于實(shí)現(xiàn)， 最為常用， 提高圓極化帶寬和增益是單饋圓極化微帶天線研究的主要方向。

文獻(xiàn)[2]提出了一種L形探針饋電的切口三角形圓極化天線， 實(shí)現(xiàn)圓極化帶寬3%。 文獻(xiàn)[3]通過水平L形帶饋電實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化輻射。 文獻(xiàn)[4]提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的非對稱Y形分支耦合饋電的圓極化微帶天線， 圓極化帶寬3.79%。 文獻(xiàn)[5]在微帶方形貼片上加載8個(gè)短路釘實(shí)現(xiàn)了高增益圓極化輻射。 本文提出了一種新型圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)， 通過在三角形貼片上加載縫隙和枝節(jié)展寬圓極化帶寬， 實(shí)現(xiàn)了圓極化帶寬5.4%， HFSS仿真結(jié)果表明天線性能良好。

1 天線設(shè)計(jì)

圓極化縫隙加載三角形微帶天線結(jié)構(gòu)見圖1， 介質(zhì)基板材料為相對介電常數(shù)εr=2.2的Rogers 5 880， 損耗角正切0.000 9， 介質(zhì)基板厚度H1=1.574 mm， 基板與接地板之間有一層厚度為H0的空氣層， 等邊三角形貼片邊長為L0， 在三角形貼片上加載一條寬度為W2的與底邊平行的縫隙， 縫隙上加載枝節(jié)， 天線采用同軸饋電， 饋電位置與貼片右頂點(diǎn)的距離為L4， 同軸連接器（SMA）外導(dǎo)體與接地板相連， 探針穿過介質(zhì)基板饋電到三角形貼片上， 通過縫隙和枝節(jié)在天線上產(chǎn)生兩個(gè)相位差90°的等幅正交的線極化電場分量[6]從而形成圓極化輻射， 天線具體參數(shù)見表1， 天線總體尺寸為0.74λ0×0.88λ0×0.09λ0， λ0為天線中心頻率2.4 GHz所對應(yīng)的自由空間波長。

天線上的表面電流分布見圖2， 圖中可以看出該天線滿足產(chǎn)生圓極化波的條件。

2 仿真結(jié)果

2.1 天線阻抗帶寬

本文采用ANSYS HFSS 15對天線進(jìn)行仿真分析， HFSS對天線回波損耗S11的仿真結(jié)果如圖3所示， 由于微帶天線是諧振式天線， 等效諧振電路的Q值很高， 因此阻抗帶寬很窄， 本文設(shè)計(jì)的天線采用空氣介質(zhì)， 并在貼片上加載縫隙， 使阻抗帶寬得到了一定的擴(kuò)展。 由圖3可看出， 在2.31～2.54 GHz 頻率范圍內(nèi)回波損耗S11<-10 dB， 在2.41 GHz處回波損耗S11<-30 dB， 阻抗匹配最好， 相對阻抗帶寬9.6%。

2.2 天線軸比、 增益和方向圖

軸比是衡量天線極化性能的重要指標(biāo)， 圓極化天線一般要求軸比小于3 dB。 對于圓極化天線來說， 如果圓極化帶寬 （軸比AR<3 dB）很小， 或與阻抗帶寬不重疊， 就會影響天線的應(yīng)用頻率范圍[7]。 傳統(tǒng)單饋微帶圓極化天線的圓極化帶寬很窄， 本文由于采用縫隙和枝節(jié)使圓極化帶寬得到了一定的擴(kuò)展。 天線軸比與頻率的關(guān)系圖、 圓極化增益與頻率關(guān)系圖和方向圖如圖4～6所示。

由圖4可知， 在2.41 GHz處軸比最?。ˋR=0.23 dB）， 在2.35～2.48 GHz頻率范圍內(nèi)， 軸比AR<3 dB， 圓極化帶寬5.4%， 圓極化特性良好的頻段在天線阻抗帶寬（2.31～2.54 GHz）內(nèi)。

由圖5可知， 該天線輻射左旋圓極化波， 天線在2.4 GHz處圓極化增益最大（8.11 dBic）， 在2.32～2.48 GHz頻率范圍內(nèi)圓極化增益大于7.8 dBic。

綜合圖4～5可看出， 在2.35～2.48 GHz內(nèi)約130 MHz頻帶內(nèi)， 天線軸比AR<3 dB， 圓極化增益大于7.8 dBic， 天線既有良好的圓極化軸比， 又有良好的圓極化增益。 由圖6可知E面波束寬度為77°， H面波束寬度為62°。

3 參數(shù)分析

前文闡述了新型圓極化縫隙加載三角形微帶天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁性能， 當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)， 天線的電磁性能隨之變化。? 本節(jié)主要研究枝節(jié)長度和饋電位置對天線回波損耗和軸比的影響。

3.1 不同枝節(jié)長度的影響

枝節(jié)是實(shí)現(xiàn)圓極化的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)， 枝節(jié)的長度對天線的回波損耗和軸比有比較重要的影響。 天線回波損耗S11隨枝節(jié)長度L2變化的趨勢如圖7所示， 隨著枝節(jié)長度L2的增加， 天線的中心頻率向高頻端移動(dòng)， 阻抗匹配也逐漸變好。 其中L2=3 mm， 4 mm和5 mm時(shí)天線的回波損耗S11曲線最低點(diǎn)小于-30 dB， 但L2=4 mm和5 mm時(shí)S11曲線最低點(diǎn)偏離2.4 GHz較遠(yuǎn)， 而L2=3 mm時(shí)天線在2.4 GHz附近的回波損耗最好。

天線軸比AR隨枝節(jié)長度L2變化的趨勢如圖8所示， 可以看出在1～4 mm范圍內(nèi)隨著枝節(jié)長度L2的增加， 天線軸比AR逐漸向高頻端移動(dòng)， 而L2=5 mm時(shí)軸比AR反而偏向低頻端， L2=3 mm時(shí)軸比在2.4 GHz附近最佳， 圓極化帶寬最大。 綜合圖7～8， 最佳枝節(jié)長度為L2=3 mm。

3.2 不同饋電位置的影響

饋電位置是微帶圓極化天線的重要參數(shù)， 對天線的阻抗匹配影響最大， 回波損耗與饋電位置密切相關(guān)。 天線回波損耗S11隨饋電位置L4變化的趨勢如圖9所示， 可以看出回波損耗S11隨饋電位置L4變化比較明顯， 隨著L4的增加， 天線的中心頻率逐漸向低頻端移動(dòng)。 其中L4=15.2 mm， 16.2 mm和17.2 mm時(shí)S11曲線最低點(diǎn)小于-30 dB， 但L4=15.2 mm和16.2 mm時(shí)S11曲線最低點(diǎn)偏離2.4 GHz較遠(yuǎn)， 而L4=17.2 mm時(shí)天線在2.4 GHz附近的回波損耗最好。

天線軸比AR隨饋電位置L4變化的趨勢如圖10所示， 可以看出隨著饋電位置L4的增加， 天線軸比AR逐漸向高頻端移動(dòng)， 當(dāng)L4=17.2 mm時(shí)軸比在2.4 GHz附近最佳， 圓極化帶寬最大。 綜合圖9～10， 最佳饋電位置為L4=17.2 mm。

4 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型圓極化縫隙加載三角形微帶天線， 通過縫隙和枝節(jié)在天線上產(chǎn)生兩個(gè)相位差90°的等幅正交的線極化電場分量， 從而形成圓極化輻射。 天線總體尺寸為0.74λ0×0.88λ0×0.09λ0， 仿真結(jié)果表明天線的阻抗帶寬9.6%（2.31～2.54 GHz）， 圓極化帶寬5.4%（2.35～2.48 GHz）， 軸比最小值0.23 dB， 增益最大值8.11 dBic。 本文提出的天線結(jié)構(gòu)具有較寬的圓極化帶寬、 較高的圓極化增益和較小的體積， 在衛(wèi)星導(dǎo)航和無線通信中具有較好的應(yīng)用潛能。

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