圓極化貼片天線的研究與設(shè)計(jì)

吳蔓蔓

摘 要：微帶貼片天線體積小、重量輕、饋電方式靈活、成本低、易于與目標(biāo)共形等優(yōu)點(diǎn)而深受人們親睞，在雷達(dá)、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，圓極化作為微帶天線理論和技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支，被廣泛的運(yùn)用，由于其極化特性，使得收發(fā)天線間有很強(qiáng)的角度位置定位靈活性，并且能減小信號(hào)的多路徑干擾等影響。

本文在研究微帶天線的現(xiàn)狀和原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻段在902-928MHz的M型探針饋電的圓極化微帶天線，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率915MHz，增益8dB，波束寬度90°，前后比大于13dB，駐波比小于1.4，輸入阻抗50歐姆。設(shè)計(jì)期間，利用Ansoft HFSS軟件創(chuàng)建了一個(gè)M型探針饋電的圓極化微帶天線模型，通過(guò)仿真，其增益、前后比、波束寬度、駐波比等主要性能參數(shù)達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。本文還介紹了微帶天線的饋電方式以及天線圓極化的原理及實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：微帶貼片天線；M型探針饋電；圓極化；HFSS仿真

1.微帶天線的研究背景與意義

微帶天線的發(fā)展正方興未艾，應(yīng)用前景非常廣闊。由于應(yīng)用的需要，微帶天線在許多方面還將得到進(jìn)一步的發(fā)展，如天線介質(zhì)材料的更新，天線的多極化技術(shù)，分形技術(shù)，光子帶隙技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)等。隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)微帶天線的深入研究和探討，微帶天線將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

2.微帶天線的介紹

微帶天線由一塊厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的介質(zhì)板（稱為介質(zhì)基片）和覆蓋在它兩面上的金屬片構(gòu)成的，其中完全覆蓋介質(zhì)板的一片稱為接地板，而尺寸可以和波長(zhǎng)相比擬的另一片稱為輻射源，輻射源的形狀可以是方形、矩形、圓形和橢圓形等等。微帶天線主要的特點(diǎn)有：體積小，質(zhì)量輕，低剖面，因此容易做到與高速飛行器共形，且電性能多樣化（如雙頻微帶天線、圓極化天線等），尤其是容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一組件，因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中，微帶天線廣泛的應(yīng)用于100MHz～50GHz 的頻率范圍。 對(duì)于介質(zhì)層較厚的微帶天線采用探針饋電，由于探針較長(zhǎng)，導(dǎo)致天線輸入阻抗的電感性增強(qiáng)，影響天線的帶寬。饋電點(diǎn)可選在貼片內(nèi)任何位置且避免了對(duì)天線輻射的影響。M型探針實(shí)際上是對(duì)L型探針的改進(jìn)，它進(jìn)一步展寬了帶寬，其輻射機(jī)理與L型探針基本一樣。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)M型探針時(shí)，在M型探針的垂直部分上產(chǎn)生的電場(chǎng)出現(xiàn)兩個(gè)同向一個(gè)反向的電場(chǎng)分布，其中一正一反兩部分電場(chǎng)相抵消，探針上剩余一個(gè)方向的電場(chǎng)，從而使貼片達(dá)到高效輻射，而在探針前后方向上干擾減小，有利于組成陣列天線。

微帶天線的輻射是由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的。Lewin對(duì)微帶的不連續(xù)性的輻射首次作了研究，他的分析是基于導(dǎo)體中流動(dòng)的電流進(jìn)行的。這個(gè)方法也可以用來(lái)計(jì)算輻射對(duì)于微帶諧振器品質(zhì)因數(shù)的影響。這個(gè)分析是以微帶開路端和地板所構(gòu)成的口徑場(chǎng)為基礎(chǔ)。按此分析，輻射對(duì)于品質(zhì)因數(shù)的影響可描述為諧振器尺寸、工作頻率、相對(duì)介電常數(shù)及基片厚度的函數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高頻時(shí)，輻射損耗遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗。還證明，在用厚的而介電常數(shù)低的基片時(shí)，開路微帶線的輻射更強(qiáng)。

圓極化天線在無(wú)線電領(lǐng)域中有重要作用。特別在航天飛行器中，由于飛行器位置姿態(tài)的固定，它們的通訊測(cè)控設(shè)備都要求是共形的、重量輕、體積小而且成本低的圓極化天線。圓極化微帶天線就是能滿足這些要求的比較理想的天線。

微帶天線具有便于實(shí)現(xiàn)圓極化的特點(diǎn)，已發(fā)展了許多種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）利用微擾手段的單饋電點(diǎn)法，如準(zhǔn)方形貼片、帶對(duì)角槽或切角的方貼片、有缺口的圓貼片、橢圓貼片、五邊形貼片、三角形貼片、方形環(huán)和交叉貼片等。

（2）雙或四饋電點(diǎn)法，即用幅度相等、相移90度的雙饋源饋電，或用相位分別為0度、90度、180度和270度的四饋源饋電，以展寬頻帶。

（3）利用多個(gè)線計(jì)劃單元的組合。已有二元組合、2*2元組合的N元相位累加組合等多種。一個(gè)2*2元實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎煤?.54cm的蜂房基片，測(cè)得800MHz到900MHz頻帶上軸比不低于0.6db。

（4）利用微帶彎曲、折角等構(gòu)成的行波串饋陣列。如城墻線陣等。

輻射或接受圓極化的天線稱為圓極化天線，圓極化波具有以下重要性質(zhì)：

1.圓極化是一個(gè)等輻的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。即，沿其傳播方向看去波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓。若瞬時(shí)電場(chǎng)矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，稱之為左旋圓極化波，沿其傳播方向按右手螺旋旋轉(zhuǎn)，稱之為右旋圓極化波。

2.一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間和在時(shí)間上均正交的等幅的極化波。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是：產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，振幅相差90。

3.任意極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。作為特例，一個(gè)線極化波可分解為兩個(gè)旋向相反，振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來(lái)波都可由圓極化天線收到，反之，圓極化天線輻射的圓極化波也可由任意極化的天線收到。這正是電子偵察和干擾等應(yīng)用中普遍采用圓極化波工作的原因。

4.天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不能接收右旋圓極化波，反之，若天線輻射有旋圓極化波，則接收右旋圓極化波，這稱為圓極化天線的旋向正交性，其實(shí)，這一性質(zhì)就是發(fā)射和接收天線之間的互易定理。在通信和雷達(dá)的極化分集工作和電子對(duì)抗等應(yīng)用中廣泛利用這個(gè)性質(zhì)。例如，國(guó)際通信衛(wèi)星V號(hào)上的4GHz多波束發(fā)射天線輻射有旋圓極化波，形成兩個(gè)東、西“半球波束”同時(shí)也輻射左旋圓極化波，形成兩個(gè)輻射不同地區(qū)的“波束區(qū)域”，這四個(gè)波束都工作于4GHz頻段互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)四重頻譜復(fù)用，增加了通信容量。

5.圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)（如平面，球面等）時(shí)，反射波變?yōu)榉葱虻?，即左旋波變右旋，右旋波變左旋?微帶天線的優(yōu)點(diǎn)之一是便于實(shí)現(xiàn)圓極化工作，實(shí)現(xiàn)圓極化工作可采用單片法或多片法，單片法又分單點(diǎn)饋電法和多點(diǎn)饋電法。

3.天線的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)

中心頻率：915MHz

工作頻段：902MHz～928MHz

輸入阻抗：50Ω

增益：≧8dB

前 后 比：≧13dB

3.2 天線參數(shù)的計(jì)算

設(shè)計(jì)微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為 ，對(duì)于工作頻率f的矩形微帶天線，可以用下式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的寬度W，即為：

（3-1）

式中，c是光速。

輻射貼片的長(zhǎng)度一般取為 ；這里 是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長(zhǎng)，即為：

（3-2）

輻射單元長(zhǎng)度L應(yīng)為：

（3-3）

式中 是有效介電常數(shù)，ΔL是等效輻射縫隙長(zhǎng)度。它們可以分別用下式計(jì)算，即為：

（3-4）

（3-5）

用HFSS設(shè)計(jì)中心頻率為915MHz的矩形微帶天線，若微帶天線的介質(zhì)基片厚度為2.5mm，所以厚度h=2.5mm，介質(zhì)的介電常數(shù) =6.5。

由式（3-1）、式（3-3）、式（3-4）和式（3-5）可以計(jì)算求得天線輻射貼片的寬度和長(zhǎng)度，以及有效介電常數(shù)和等效縫隙寬度，分別如下：

輻射貼片的寬度：W=114.7mm

輻射貼片的長(zhǎng)度：L=126.9mm

有效介電常數(shù)： =6.72

等效縫隙寬度： =1.1mm

另有經(jīng)驗(yàn)數(shù)值得出：

h1=h2=h=18mm；

g1=g2=g=3.5mm；

探針的寬度 =0.2mm；

底板與貼片距離H=32.5mm；

圓極化切角尺寸：d1=41mm（寬度方向）；d2=46mm（長(zhǎng)度方向）。

所要設(shè)計(jì)的天線的工作頻段是902-928MHz，可以計(jì)算出中心頻率為 f0=915MHz，進(jìn)而得到 328mm。以某公司的該產(chǎn)品的外形尺寸為參考，確定了底板的尺寸250mm×250mm，天線的總高度限制在50mm以下。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)L和M探針饋電的RFID圓極化天線，包括L型探針一點(diǎn)饋電的RFID圓極化天線、M型探針一點(diǎn)饋電的RFID圓極化天線和雙L型探針正交饋電的RFID圓極化天線。預(yù)期指標(biāo)如下：增益為8dBi，波束寬度為 （ 為符合條件），前后比大于13dB，駐波比小于1.4。

3.3微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)：M型探針饋電的寬頻帶長(zhǎng)矩形貼片的幾何結(jié)構(gòu)如圖3.1和圖3.2所示。以天線的中心頻率為 =915MHz（ =328mm），對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行了仔細(xì)的研究之后確定了天線的尺寸，貼片是一個(gè)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=126.9mm（0.37 ），寬W=114.7mm （0.43 ），厚度為1mm的鋁板，被放置在距底板 =32.5mm（0.1 ）高的地方，底板與貼片之間的介質(zhì)為空氣，其介電常數(shù)認(rèn)為是 。M型探針是用厚度為 ，寬為

的銅帶折疊而成的，它包含兩個(gè)水平部分和三個(gè)垂直部分，垂直部分的值由g1和g2決定，水平部分的值由h1和 h2決定；經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到=g=3.5mm

（0.01 ）， =h=18mm（0.06 ），M型探針一端連接50歐姆激勵(lì)源，另一端連接到貼片上，連接的位置由s1和s2決定。天線的底板是厚度為2mm的鋁板，長(zhǎng)寬由GL和GW決定

3.4 運(yùn)用HFSS軟件作圖與仿真

Ansoft HFSS是Ansoft公司推出的基于電磁場(chǎng)有限元方法（FEM）的分析微波工程問(wèn)題的三維電磁仿真軟件，Ansoft HFSS以其無(wú)與倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效的設(shè)計(jì)了各種高頻結(jié)構(gòu)。

（1） 創(chuàng)建介質(zhì)基板

創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體模型用以表示介質(zhì)基板，模型的底面位于xoy面上，厚2.5毫米，長(zhǎng)250毫米，寬250毫米。用Draw-box命令創(chuàng)建長(zhǎng)方體，新建的長(zhǎng)方體添加到操作歷史樹Solids節(jié)點(diǎn)下，默認(rèn)名為Box1，將其命名為Substrate，設(shè)置其材料為FR4_epoxy，設(shè)置透明度為0.4。

（2）創(chuàng)建輻射貼片

在介質(zhì)基板上方高32.5mm處，創(chuàng)建長(zhǎng)為L(zhǎng)1，寬為W1，厚0.2mm的長(zhǎng)方體，將其命名為Patch，設(shè)置顏色為銅黃色，透明度為0.2，材料為pec。

（3）創(chuàng)建地面

在介質(zhì)基板的底面創(chuàng)建一個(gè)矩形面，大小與介質(zhì)底板底面相同，將其命名為GND。

（4）創(chuàng)建M型探針

創(chuàng)建圓柱體做M型探針，探針由五個(gè)圓柱體拼接而成，從主菜單中選擇Draw-Cylider命令，進(jìn)入創(chuàng)建圓柱體的狀態(tài)，在三維模型下創(chuàng)建一個(gè)任意大小的圓柱體，雙擊操作歷史樹Solid節(jié)點(diǎn)下的Cylinder選項(xiàng)，打開新建的圓柱體屬性對(duì)話框選項(xiàng)卡，把圓柱的材料設(shè)為PEC，圓柱體的半徑設(shè)為為0.1mm。

（5）創(chuàng)建饋電端口

要在介質(zhì)底板上開一個(gè)半徑為0.2mm的圓柱形端口作為饋電端口，首先要在底板上做一個(gè)圓柱體鑲嵌在底板內(nèi)部高2.5mm，半徑為0.2mm，底面圓心坐標(biāo)為（L0，W0，0），然后依次選中介質(zhì)底板與剛創(chuàng)建的圓柱體，執(zhí)行相減操作，從主菜單欄中選擇Modeler-Boolean-Substrate命令，打開如圖所示的sudstrate對(duì)話框，單擊OK，完成相減操作，即可從介質(zhì)底板上挖掉一個(gè)圓柱體作為饋電端口。

在地面畫一個(gè)圓面，選中該圓面即可添加激勵(lì)源。選中該圓面然后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Assign Excitation-Lumped Port命令，打開集總端口設(shè)置對(duì)話框，在該對(duì)話框中設(shè)置輸入阻抗50歐，并在圓面上做出積分線。

HFSS仿真圖如下所示：

3.5 天線性能結(jié)果分析

仿真完成后，在優(yōu)化處理后能得到各項(xiàng)參數(shù)的分析結(jié)果，來(lái)看一下天線的性能參數(shù)。通過(guò)調(diào)整天線貼片的尺寸，可知當(dāng)Lc=95mm時(shí)，天線的諧振頻率在915MHz左右，

4.總結(jié)與展望

本文在對(duì)微帶天線的概念性能、結(jié)構(gòu)模型、饋電技術(shù)、圓極化技術(shù)等各個(gè)方面進(jìn)行深入探討的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的M型探針饋電900M圓極化微帶貼片天線。針對(duì)微帶天線頻帶窄的特點(diǎn)，采用了M型探針饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線的諧振；采用不同饋電點(diǎn)技術(shù)在微帶天線單元中調(diào)整了天線的輸入阻抗及駐波比；采用輻射貼片的準(zhǔn)方形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化并優(yōu)化了軸比。本文設(shè)計(jì)的線陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易調(diào)試。希望今后在革新的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出性能更好，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單更新穎的微帶天線來(lái)。

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