王小毅，楊國敏，石藝尉

(復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200433)

通信系統(tǒng)的發(fā)展帶來了天線行業(yè)的勃勃生機(jī).在眾多的天線類型中，微帶天線已成為當(dāng)前研究的前沿之一，具有重要的研究意義與廣泛的實(shí)用前景.特別是微帶縫隙天線，以其重量輕，剖面薄，平面結(jié)構(gòu)，易與載體共形，饋電結(jié)構(gòu)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起天線設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注，且在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］.隨著全球定位系統(tǒng)在全球的快速發(fā)展，中國的北斗導(dǎo)航逐漸發(fā)展和完善，微帶天線在衛(wèi)星通信及衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域也得到廣泛使用.圓極化天線具有能夠接收任意線極化的來波的特性，同時(shí)其輻射波可以被任意線極化天線接收.因此在多頻段衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)中，可同時(shí)接收多個(gè)頻段信號(hào)的多頻圓極化微帶衛(wèi)星接收天線也得到了越來越廣泛的關(guān)注［6-10］.

已有的研究結(jié)果表明，通過對(duì)微帶天線進(jìn)行切角、開槽、正交雙饋及使用多個(gè)線極化輻射元，調(diào)節(jié)各個(gè)單元相對(duì)位置等方法，可以實(shí)現(xiàn)天線的圓極化特性.大多數(shù)的雙頻圓極化天線則是通過雙饋、寄生單元耦合，增加集總元件等形式實(shí)現(xiàn)的［11-18］，如文獻(xiàn)［14］通過二極管開關(guān)實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化的設(shè)計(jì);文獻(xiàn)［15］則是通過雙端口的饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻圓極化;文獻(xiàn)［16］則是利用多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過激勵(lì)端對(duì)寄生單元耦合饋電實(shí)現(xiàn)了天線雙頻圓極化的特性.然而這些天線通常結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要饋電網(wǎng)絡(luò)或者增加寄生層，從而增加了天線制造成本.

本文設(shè)計(jì)了一種采用微帶線耦合饋電的雙頻帶圓極化縫隙微帶天線.該天線充分利用了開槽縫隙實(shí)現(xiàn)了雙頻帶圓極化.天線的諧振頻點(diǎn)和圓極化可以通過調(diào)節(jié)4個(gè)長短不等的縫隙臂及中心正方形環(huán)狀縫隙的大小實(shí)現(xiàn).該天線具有相對(duì)較寬的阻抗匹配帶寬和圓極化帶寬，右旋圓極化和左旋圓極化分別在低頻段和高頻段同時(shí)實(shí)現(xiàn).整個(gè)天線結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、成本較低，便于加工，適用于室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域.

1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，該微帶縫隙天線正面由1個(gè)正方形環(huán)狀縫隙和4個(gè)長度不等且成正交結(jié)構(gòu)的縫隙臂組成.正方形環(huán)的內(nèi)外環(huán)邊長分別為a和b.4個(gè)長短不等的縫隙臂依次為L1，L2，L3和L4，縫隙寬度均為0.5 mm.整個(gè)天線地面為一個(gè)正方形，其邊長為W.天線背面為一根居中的50歐姆的微帶線，微帶線的末端接一個(gè)和正面相同的正方形貼片用以提高天線的阻抗匹配，如圖1(b)所示.微帶饋線與天線之間為一層厚度為1.6 mm的FR-4介質(zhì)板，介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.2，損耗為0.02，如圖1(c)所示.饋線與天線通過耦合進(jìn)行饋電.4條縫隙臂分別與微帶饋線成45°、135°、225°和315°夾角.

圖1 微帶縫隙天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the proposed antenna

傳統(tǒng)的矩形環(huán)狀微帶縫隙貼片天線中，天線的諧振頻率由矩形環(huán)的內(nèi)外徑邊長a和b的大小決定，其值可近似為:

其中，c0表示光速，εe表示介質(zhì)板等效介電常數(shù).在該天線設(shè)計(jì)中，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻諧振，在正方形環(huán)上引入了L1和L2來增加不同的表面電流路徑.天線的低頻諧振頻率由正方形環(huán)狀縫隙的尺寸及L1的長度來決定.正方形環(huán)越大，L1越長，低頻諧振頻率就越低.而高頻諧振頻率則取決于正方形環(huán)狀縫隙的尺寸及L2的長度.通過調(diào)節(jié)L3和L4的長度可以實(shí)現(xiàn)正交的電場，實(shí)現(xiàn)天線的雙頻圓極化.

為了實(shí)現(xiàn)較好的圓極化性能及阻抗匹配，在天線設(shè)計(jì)中L1和L3的長度相差大約為低頻段中心頻率波長的1/8倍，且當(dāng)L1＞L3時(shí)，天線的極化特性為右旋圓極化.類似的，L2和L4的長度相差大約為高頻段中心頻率波長的1/8倍，且當(dāng)L2＜L4時(shí)，天線的極化特性為左旋圓極化.所以通過調(diào)節(jié)4個(gè)不同的縫隙臂的長度即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻圓極化特性.

2 天線的仿真與測量

本文中使用IE3D電磁仿真軟件，通過調(diào)節(jié)優(yōu)化上述天線尺寸，對(duì)天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì).天線尺寸如表1所示.通過仿真實(shí)現(xiàn)了天線在1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz的雙頻帶圓極化諧振，并具有良好的工作帶寬和輻射特性，其中低頻帶為右旋圓極化，高頻帶為左旋圓極化.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)仿真的天線進(jìn)行了樣品加工，如圖2所示，并對(duì)樣品天線進(jìn)行了測量.

圖3是天線的反射系數(shù)仿真與測試結(jié)果曲線，測試使用的是Agilent E8364C網(wǎng)絡(luò)分析儀.從圖3可以看出，天線在1.220～1.539 GHz和2.740～3.047 GHz兩個(gè)頻帶反射系數(shù)都小于 －10 dB，天線在這兩個(gè)頻帶具有較好的阻抗匹配.其中低頻帶阻抗匹配帶寬為22.1%，高頻帶阻抗匹配帶寬為10.7%.

圖4是天線的軸比(Axial Ratio，AR)特性仿真與測量曲線.從圖4可以看出天線在1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz兩個(gè)頻段的軸比都在3 dB以下，實(shí)現(xiàn)了較好的圓極化性能，其中低頻帶圓極化帶寬為6.2%，高頻帶圓極化帶寬為2.3%.圖5是天線的輻射特性方向圖，天線在1.44 GHz為右旋圓極化，最大增益為3.2 dBi;在2.86 GHz為左旋圓極化，最大增益為3.1 dBi.天線的主瓣輻射方向和天線輻射面方向略有偏差，這主要是由于天線縫隙臂長度不完全對(duì)稱引起的.

表1 天線尺寸表Tab.1 Dimensions of the proposed antenna

圖2 樣品天線實(shí)物圖Fig.2 Photograph of the proposed antenna

圖3 天線反射系數(shù)仿真曲線Fig.3 Simulated and measured|S11|of the proposed antenna

圖4 天線軸比仿真與測量結(jié)果Fig.4 Simulated and measured axial ratio results of the proposed antenna

圖5 天線在1.445 GHz及2.860 GHz的輻射方向圖Fig.5 Simulated and measured radiating patterns at 1.445 GHz and 2.860 GHz

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的雙頻圓極化微帶縫隙天線.通過正方形環(huán)狀縫隙結(jié)構(gòu)和4條不同的縫隙臂實(shí)現(xiàn)了1.415～1.505 GHz和2.825～2.890 GHz兩個(gè)頻帶的阻抗匹配和圓極化性能，其中低頻帶為右旋圓極化，高頻帶為左旋圓極化，兩個(gè)頻帶的最大增益均大于3 dBi.該天線尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工且具有良好的工作帶寬及雙頻圓極化特性，可以應(yīng)用于無線傳播系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域.

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