小型圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

藺玉珂 陳芋蓉 周瑤 王志遠(yuǎn)

摘要：與其他極化類型的天線相比，圓極化天線可以接收任意極化的來波，其輻射的電磁波也能被任意極化天線所接收因此其廣泛應(yīng)用于微信通信、射頻識(shí)別、WLAN領(lǐng)域。文章基于研究了幾種圓極化天線的設(shè)計(jì)方式，并采用耦合饋電的方式設(shè)計(jì)了一種小型化、大帶寬、高增益的圓極化微帶天線

關(guān)鍵詞：圓極化;小型化;微帶天線

中圖法分類號(hào)：TN822 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Designofsmall circularlypolarizedmicrostripantenna

LIN Yuke，CHEN Yurong，ZHOU Yao，WANG Zhiyuan

（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

Abstract： Compared with other polarization types of antennas？ circular polarization antenna can receive incoming waves with arbitrary polarization， and its radiated electromagnetic waves can also be received by antennas with arbitrary polarization. Therefore， it is widely used in the fields of wechat communication， RFID and WLAN. In this paper， HFvSvS is used to study the design methods of several circularly polarized antennas？and a circularly polarized microstrip antenna with miniaturization， large bandwidth and high gain is designed by coupling feeding.

Key words：circular polarization， miniaturization， microstrip antenna

1引言

在隨著時(shí)代不斷發(fā)展，天線作為無(wú)線通信領(lǐng)域中的重要元器件之一，其應(yīng)用場(chǎng)景變得非常廣闊，其技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用也十分成熟。由于天線的發(fā)展趨向于小型化，因此天線小型化技術(shù)在如今這個(gè)技術(shù)時(shí)代的重要性不言而喻。通常情況下，微帶天線的頻譜帶寬較窄，不同的饋電方式會(huì)對(duì)頻帶寬度產(chǎn)生不同的影響。微帶線饋電的方式對(duì)頻譜展寬有一定難度，此時(shí)可以將天線的饋電方式更改為耦合饋電。要改變天線的尺寸，在設(shè)計(jì)之初就要考慮適合的介質(zhì)基板，不同材料的介質(zhì)基板的厚度和介電常數(shù)都會(huì)存在差異，介質(zhì)基板的介電常數(shù)會(huì)直接影響天線尺寸，介電常數(shù)越大，天線就更加趨于小型化，天線的帶寬就會(huì)更小[1]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者為實(shí)現(xiàn)天線小型化，普遍采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板方式;為實(shí)現(xiàn)圓極化功能，普遍采用常見的方形貼片切角和雙饋方式。這兩種方式無(wú)論是在實(shí)現(xiàn)原理上還是在成品工藝制作難度上都是人們普遍認(rèn)可的。為了讓天線在收發(fā)信號(hào)的同時(shí)提高可靠性和傳輸效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都會(huì)采用天線陣的貼片組合方式來提高天線增益，饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型基本采用威爾金森功分器進(jìn)行能量傳輸和分配。由于天線的應(yīng)用范圍很廣，為了滿足各種需求，微帶天線由窄帶通信逐漸變?yōu)閷掝l帶通信。由于微帶天線具有頻帶窄的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在探討如何拓展天線的頻帶寬度。如今，使用較多的頻帶拓寬方式為變更饋電方式，即由傳統(tǒng)的微帶線饋電變?yōu)橥S線饋電，甚至是耦合饋電。

2圓極化微帶天線的饋電方式

2.1微帶傳輸線饋電

微帶傳輸線饋電裝置制造簡(jiǎn)便，饋線的輻射會(huì)對(duì)其波形和增益造成一定的干擾，而且條形饋線中的額外電容會(huì)增加更多的電抗，從而降低工作頻段。因此，通常需要使微帶饋線的寬度w不能變得更寬，并且期望w<<λ，從而需要具有更高的特征阻抗Zc、更低的襯底厚度h以及合適地增加電介質(zhì)常數(shù)。微帶饋線可以與相關(guān)元件直接連接或插入元件的內(nèi)側(cè)，從而達(dá)到期望的阻抗值，因此，可以通過適當(dāng)?shù)剡x取饋送點(diǎn)位置來完成天線的輸入阻抗與饋線特征阻抗的配合。

2.2同軸線饋電

同軸線饋電方式具有很好的隔斷和防護(hù)能力，這使得饋電元件與輻射元件相對(duì)獨(dú)立，因此可以改善其整體性能。同時(shí)，可以將饋電點(diǎn)置于所需的位置，以方便配合。該饋送方式的缺陷在于必須在介電襯底上穿孔，同時(shí)要將探測(cè)器與微帶片焊接在一起，造成結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，制造起來也比較煩瑣[2]。

2.3電磁耦合饋電

電磁場(chǎng)耦合饋電是使用與貼片相鄰但未連接的微帶傳送線向材料供能（無(wú)接觸激發(fā)機(jī)構(gòu)），微帶貼片與介質(zhì)基板可以共面或不共面。在非共平面的EMC饋電中，還可以在饋線與貼片中間加一條帶有長(zhǎng)方形槽的接地板，由狹縫供電。通過調(diào)節(jié)間隙大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)饋電與貼片的柔性調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)縫隙的長(zhǎng)寬間距，通?？梢垣@得理想的匹配效果。

2.4口徑耦合饋電

口徑耦合饋電方式有以下特點(diǎn)：端口阻抗匹配程度較高，饋電點(diǎn)不需要進(jìn)行焊點(diǎn)連接;輻射貼片單元通過介質(zhì)基板和饋電結(jié)構(gòu)相分離，饋電網(wǎng)絡(luò)模型和電磁耦合的饋電方式有相似之處，即都是通過耦合方式進(jìn)行饋電;電磁耦合主要采用介質(zhì)板的開槽對(duì)縫隙的尺寸進(jìn)行調(diào)整，可以獲得較高的匹配程度，同時(shí)可以獲得理想的頻帶寬度，這也和口徑耦合饋電不謀而合[3～5]。

3口徑耦合饋電圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

3.1輻射貼片尺寸計(jì)算

天線帶寬為2.9GHz～3.3GHz，中心頻點(diǎn)為3.1GHz，則工作波長(zhǎng)λ=96.8mm。使用具有4.4的介電率和0.02的正切率的FR4作為天線基板，天線單元采用微帶線縫隙耦合饋電的微帶貼片天線。

天線單元間距取0.5倍波長(zhǎng)，則單元介質(zhì)基板長(zhǎng)寬為sub_l=sub_w=50mm，介質(zhì)基板高度sub_h取1.6mm。根據(jù)微帶天線的相關(guān)理論，經(jīng)驗(yàn)公式為了使增益最大，對(duì)Lp有要求：

（1）

考慮介電界面和氣體界面時(shí)，為了簡(jiǎn)化，該體系可以將介電常數(shù)直接用作介電常數(shù)λg是Wp寬的微帶線對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)，hp為輻射貼片與縫隙間厚度（考慮空氣填充時(shí)），計(jì)算ΔL時(shí)hp單位必須是mm，c是真空光速，εr是支撐貼片的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。更簡(jiǎn)單的公式為：

（2）

此時(shí)，理論上能得到較大增益，帶入數(shù)值計(jì)算，得貼片長(zhǎng)度patchl=22.6mm。而Wp對(duì)增益沒有影響，但會(huì)影響帶寬和阻抗。為了防止激勵(lì)高次模，通常取WP≤LP，因?yàn)橐O(shè)計(jì)圓極化，則貼片應(yīng)該為正方形，patch_l=WP=LP=22.6mm。

縫隙的長(zhǎng)Ls和寬Ws，沒有經(jīng)驗(yàn)公式，建議Ls取為1/4至1/2導(dǎo)波波長(zhǎng)（即約Wp/2～Wp之間），Ws約為L(zhǎng)s的1/5。則縫隙長(zhǎng)和寬slot_l×slot_w=15mm×3mm。橫截面視圖中，一般取hp>hf，εp<εf。該結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)襯底均采用FR4作為襯底，而下部FR4襯底的高度為上部的二分之一，襯底的下襯底的厚度為0.8mm。饋線寬度采用50歐姆的特性阻抗，利用微帶線計(jì)算工具計(jì)算，微帶線寬度為line_w=1.515mm。

饋線伸出縫隙的長(zhǎng)度Lstub對(duì)阻抗匹配和輻射增益可能有影響?？p隙應(yīng)位于饋線上電流最大的地方，饋線開路，開路處（末端）電流為0，回退四分之一波長(zhǎng)處電流最大。因此，圖中的Lstub應(yīng)近似取為饋線上導(dǎo)波波長(zhǎng)的四分之一?？紤]邊緣效應(yīng)，等效長(zhǎng)度略長(zhǎng)于實(shí)際物理長(zhǎng)度，故Lstub可近似取為L(zhǎng)stub≈0.23λg，f。當(dāng)然，這是經(jīng)驗(yàn)值，可以通過仿真做進(jìn)一步優(yōu)化。初始饋線伸出縫隙的長(zhǎng)度取line2_l=13mm。

3.2耦合饋電HFSS建模

縫隙耦合饋電的方式雖可以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶，但犧牲了天線的增益，滿足高增益的天線需要通過陣列的方式來實(shí)現(xiàn)，陣列天線對(duì)于天線的尺寸很難把握，必定對(duì)小型化設(shè)計(jì)有一定難度，此時(shí)需要采用口徑耦合的饋電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[6～8]。口徑耦合饋電模型設(shè)計(jì)原理和電磁耦合型饋電實(shí)現(xiàn)原理相同，只是在矩形口徑設(shè)計(jì)上存在差異。其上下兩層介質(zhì)板仍采用介電常數(shù)4.4的環(huán)氧樹脂板，端口激勵(lì)方式為波端口激勵(lì)模式，實(shí)現(xiàn)圓極化方式采用貼片切角，金屬貼片和兩層介質(zhì)板的電導(dǎo)體設(shè)置為理想電導(dǎo)體，模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.3耦合饋電HFSS仿真

天線性能的主要衡量指標(biāo)包括阻抗帶寬、增益、軸比、方向性、電壓駐波比等（圖2～5），主要是通過HFSS仿真得到上述數(shù)據(jù)。

4結(jié)論

圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方式主要有單片切角和使用功分器等，傳統(tǒng)、單一的微帶線饋電或同軸線饋電方式難以獲得較大的阻抗帶寬和較高的增益，采用陣列天線設(shè)計(jì)方式能有效擴(kuò)展阻抗帶寬，但是其輻射性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上單片天線，而且陣列天線設(shè)計(jì)將大大增加天線尺寸。本文采用口徑耦合饋電方式的多層天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，天線尺寸與單片天線差異不大，但很好地?cái)U(kuò)展了阻抗帶寬，并且從方向圖來看，輻射性能較好，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較大的增益。

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作者簡(jiǎn)介：

藺玉珂（1980—），碩士，副教授，研究方向：激光通信、電子信息技術(shù)。