用于移動通信的新型寬帶全向圓極化天線研究

1 引言

無線通信基站和移動終端均需要全向天線以保持與不同方位的目標(biāo)進行通信。圓極化天線可以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。因此目前已有不少關(guān)于全向圓極化天線的研究，參考文獻^[1]-[2]均采用了環(huán)偶極子模型，這些設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，但尺寸相對較大，帶寬最大為7.4%^[2]；參考文獻^[3]-[4]采用了微帶天線來實現(xiàn)全向圓極化輻射，此類天線具有低剖面的優(yōu)點，但作為諧波天線，帶寬很窄；參考文獻^[5]利用圓極化器來實現(xiàn)全向圓極化輻射，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且不易實現(xiàn)寬帶。所有這些設(shè)計的共同問題均是帶寬不足，這成為制約全向圓極化天線廣泛應(yīng)用的主要因素。

參考文獻^[7]提出的圓極化矩形環(huán)天線具有~50%的圓極化帶寬。本設(shè)計通過將印制有四個相同寬帶圓極化矩形環(huán)天線的柔性介質(zhì)板卷曲成空心介質(zhì)柱來實現(xiàn)寬帶全向圓極化輻射。設(shè)計寬帶巴倫結(jié)構(gòu)對其饋電以滿足2GHz附近的移動通信需要。

2 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，四個寬帶圓極化矩形環(huán)天線印制在柔性介質(zhì)板上，并將其彎曲成柱形以實現(xiàn)水平面上的全向輻射。單個輻射單元結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，通過在主輻射環(huán)長邊上開縫激勵起行波，從而實現(xiàn)較寬頻帶內(nèi)的圓極化輻射。同時在內(nèi)部添加兩個開縫的寄生矩形環(huán)，來進一步增加帶寬。通過在空心介質(zhì)柱中插入金屬反射柱來改善天線的圓極化性能。金屬反射柱中部留有空隙（g₁）用來放置寬帶巴倫結(jié)構(gòu)（如圖1（a）所示）。

(a) (b)

(c)

圖1 寬帶全向圓極化天線仿真模型 (a)天線結(jié)構(gòu)
(b)單元結(jié)構(gòu) (c)俯視圖

寬帶巴倫結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，由于微帶線-縫隙耦合可保證在很寬的頻段內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，本饋電結(jié)構(gòu)正是基于此，利用介質(zhì)板兩側(cè)微帶線和縫隙之間的耦合來實現(xiàn)寬頻段內(nèi)的阻抗匹配，通過調(diào)整縫隙長度sl和微帶線長度l5使其阻抗匹配達到最佳。

圖1中各參數(shù)尺寸如表1所示。此外，主輻射環(huán)和寄生環(huán)線寬分別為6mm和3mm，環(huán)上縫隙寬度分別為3mm和1.5mm。金屬反射柱厚度為1.5mm。論文中所提到的軸比為水平面上的平均軸比，它是取水平面上均勻24個點的軸比平均值。此天線輻射左旋圓極化波，可以通過改變環(huán)上縫隙位置來改變其極化旋向。

表1 圖1中各參數(shù)尺寸