一種低剖面寬帶圓極化微帶天線

　　1 引言

　　微帶天線由于其低成本、低輪廓、小體積、易于集成和共形，以及能方便地實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化等優(yōu)點(diǎn)在各種通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。單饋點(diǎn)圓極化微帶天線由于其簡(jiǎn)潔、緊湊的結(jié)構(gòu)，得到了研究人員的廣泛關(guān)注，但其設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過線極化微帶天線和多饋點(diǎn)圓極化微帶天線。常見的單饋點(diǎn)圓極化微帶天線形式主要有開槽貼片、方形切角貼片、準(zhǔn)方形貼片和圓形貼片。由于它們的軸比帶寬較窄，一般不足3%，嚴(yán)重制約了單饋點(diǎn)圓極化微帶天線的應(yīng)用。為了展寬微帶天線的帶寬，人們常采用層疊型微帶結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)上下兩層輻射單元分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)諧振頻率，通過調(diào)節(jié)輻射貼片的尺寸和上下間距使兩個(gè)諧振帶寬緊貼，從而形成雙峰諧振，很好的拓展了微帶天線的帶寬。采用準(zhǔn)方形的層疊結(jié)構(gòu)，均獲得了13%以上的軸比帶寬;Kwok Lun Chung等人采用微帶線邊饋的層疊方形切角貼片結(jié)構(gòu)，獲得了8%的3dB軸比帶寬;采用探針底饋式饋電的層疊方形切角貼片天線獲得了12.7%的3dB軸比帶寬。

　　本文在方形切角貼片可實(shí)現(xiàn)不同旋向圓極化的兩個(gè)饋點(diǎn)位置都加上端口，一個(gè)端口饋電，另一端口附加匹配阻抗。通過饋電端口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)圓極化的工作方式，另一端口的阻抗匹配則起到了降低剖面高度的作用。另外，本文天線采用由兩層方形切角微帶貼片層疊放置的結(jié)構(gòu)，形成雙峰諧振回路得到了較寬的軸比帶寬。

　　2 天線模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

　　天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩層方形切角貼片、空氣層和接地板構(gòu)成。下層介質(zhì)：介電常數(shù)εr1，損耗角正切tgδ1，厚度t1 ;上層介質(zhì)：介電常數(shù)εr2，損耗角正切tgδ2，厚度t2 ;空氣層厚度為h。

　　圖1 天線結(jié)構(gòu)

　　圖2給出了天線的俯視圖并給出貼片的尺寸參數(shù)，描述為：下層貼片邊長(zhǎng)p1，切角深度q1;上層貼片邊長(zhǎng)p2，切角深度q2;兩饋電點(diǎn)位置均位于下層貼片的中心線上，饋電端口位于沿x方向的中心線上，距離右邊緣d1;匹配負(fù)載位于沿y方向的中心線上,距離下層貼片的下邊緣d2。

　　圖2 天線俯視圖及尺寸參數(shù)

　　天線下層采用t1 = 3mm、εr1 = 4.4、tgδ1 = 0.02的FR-4基片;上層采用t2 = 1.5mm、εr2 = 2.55、tgδ2 = 0.0011的聚四氟乙烯基片。上下層貼片的初始邊長(zhǎng)取為：p1=42.6mm，p2=71.4mm。上下兩方形貼片的微繞量q1和q2的計(jì)算。采用HFSS軟件對(duì)p1、p2、q1、q2、d1、d2、h等參量反復(fù)調(diào)節(jié)，以獲取最寬的軸比帶寬。

　　3 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

　　本文天線的實(shí)測(cè)和仿真駐波曲線如圖2所示。天線實(shí)測(cè)阻抗帶寬(VSWR<2)為1.55GHz ～2.01GHz，約為25.8%的相對(duì)帶寬，實(shí)測(cè)駐波比較仿真駐波比略向高端偏移，但曲線較一致。

　　圖2天線的實(shí)測(cè)和仿真駐波曲線圖

　　圖3給出了天線的仿真軸比曲線圖，其仿真的AR<3頻帶范圍在1.652～1.98GHz，相對(duì)帶寬約為18%。圖4給出天線的增益曲線圖，其實(shí)測(cè)值和仿真值較一致。由圖4可知，該天線在低端的增益較小，高端增益較高，在1.96GHz時(shí)最高增益約為7.7dB。

　　圖3 天線仿真軸比曲線圖

　　圖4 天線實(shí)測(cè)和仿真增益曲線圖

　　圖5給出了天線在1.8GHz時(shí)x-z面和y-z面上的LHCP和RHCP分量方向圖。

　　(a) x-z面方向圖

　　(b) ) y-z面方向圖

　　圖5 左旋圓極化時(shí)天線在1.8GHz的仿真方向圖

　　本文設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)圓極化特性時(shí)，無論從實(shí)現(xiàn)原理和功能上都與寬帶圓極化微帶天線類似。但由于匹配負(fù)載的引入使得本文天線的帶寬達(dá)到了18%;另外，本文天線具有較低的剖面，本文中天線的中心頻率差不多，而剖面高度之比為0.64：1，粗略折算到同一諧振頻率上，本文形式天線剖面高度是中天線的68%。

　　4 結(jié)論

　　本文給出了一種具有較低剖面的圓極化寬帶微帶天線。通過層疊型結(jié)構(gòu)的雙層方形切角貼片，實(shí)現(xiàn)了具有較寬軸比帶寬的圓極化微帶天線，其3dB軸比帶寬達(dá)到18%;通過附加匹配負(fù)載，該天線獲得了較低的剖面高度，約為天線的68%。