摘 要： 提出一種微帶線饋電的寬帶圓極化微帶天線，它由微帶饋線、輻射貼片和FR4介質(zhì)板組成，在輻射貼片的矩形槽對(duì)角添加兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微帶天線圓極化的要求，通過(guò)調(diào)整微帶饋線的尺寸，有效改善了天線的軸比帶寬。該天線單元的軸比帶寬達(dá)到了43.8%（2.5～3.9 GHz）。

關(guān)鍵詞： 寬帶； 圓極化； 微帶線饋電； 微帶天線

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）13?0067?04

Abstract： The broadband circularly polarized microstrip antenna with microstrip feeding is presented， which consists of microstrip feeder， radiation patch and FR4 dielectric?slab. The requirements of microstrip antenna circularly polarized are realized by adding two annular slots which are located at the two opposite angles of rectangular slot on radiation patch. The axial?ratio bandwidth of the antenna is improved effectively by adjusting the size of microstrip feeder. The axial?ratio bandwidth can reach 43.8%（2.5～3.9 GHz）.

Keywords： broadband； circularly polarized； microstrip feeding； microstrip antenna

0 引 言

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)天線的性能要求越來(lái)越高，單純線極化天線已無(wú)法滿足要求，因此圓極化天線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于圓極化微帶天線具有剖面薄、重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的圓極化微帶天線，圓極化帶寬較窄，為了提高天線的圓極化帶寬，已有研究分別運(yùn)用了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1?2]采用了多點(diǎn)饋電的方式，在文獻(xiàn)[1]中采用了Wilkinson功分器，圓極化軸比帶寬能達(dá)到20%，但額外附加功分器，必須精心設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)以保證圓極化性能，這就增加了制作成本；在文獻(xiàn)[2]中，采用了寄生貼片的方式，實(shí)現(xiàn)的軸比帶寬約為45%，但這樣的結(jié)構(gòu)或多或少的損害了微帶天線剖面薄的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3?5]采用了口徑耦合的方式進(jìn)行饋電，由于其輻射部分與饋電部分被接地板隔開(kāi)，饋線的寄生輻射弱；因此天線的交叉極化電平低，但是當(dāng)增加基片厚度展寬頻帶時(shí)，要加大槽的尺寸以獲得阻抗帶寬，這將導(dǎo)致后向輻射電平升高。文獻(xiàn)[6?8]采用了微帶線饋電的方式，但是所實(shí)現(xiàn)的軸比帶寬都達(dá)不到本文提到的天線。

本文提出一種利用梯形微帶線饋電的微帶縫隙天線，采用仿真軟件分析該天線的阻抗帶寬、圓極化軸比帶寬、輻射方向圖及增益特性，并分析了天線結(jié)構(gòu)中一些參數(shù)對(duì)天線軸比帶寬性能的影響。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線主要由兩部分組成：在矩形槽對(duì)角添加兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)的輻射貼片，中心的圓形輻射貼片；類似梯形的微帶饋線。輻射貼片和微帶饋線分別印制在[h=0.8]mm的FR4基板兩面，基板相對(duì)介電常數(shù)為4.4，整體尺寸為45 mm×45 mm×0.8 mm，天線饋電采用50 Ω的微帶饋線。在輻射貼片矩形槽的對(duì)角添加兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以激勵(lì)起兩個(gè)幅度相等、相位相差[90°]的線極化波，從而實(shí)現(xiàn)圓極化。優(yōu)化后的各個(gè)參數(shù)值分別為： [h=0.8 mm，][G=45 mm，][M=36 mm，][R1=9 mm，][R2=10.3 mm，][R3=6 mm，][W1=1.5 mm，][W2=][15 mm，][W3=26 mm，][W4=2.75 mm，][L1=5.5 mm，][L2=8 mm，][L3=][2 mm。]

2 天線性能分析

各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)天線的性能影響不同。為了詳細(xì)研究天線中各個(gè)參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響，并得到最佳的阻抗帶寬和軸比帶寬，需要對(duì)天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析。這里分別討論了兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)和微帶饋線的尺寸對(duì)天線性能的影響，分析某一個(gè)參數(shù)的影響時(shí)，其他參數(shù)保持不變。

2.1 參數(shù)分析

下面主要通過(guò)仿真分析[R1，][R2，][W3]等參數(shù)對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響，如圖2～圖4所示。

在圖2中，從[S11]曲線圖中可以看出，隨著[R1]的增大，天線的諧振頻率往低偏，反之減小則往高偏；而天線的軸比帶寬隨[R1]的變化較大，當(dāng)[R1=]9 mm時(shí)效果比較好。

從圖3中可以看出，[R2]的變化影響到阻抗帶寬的整個(gè)頻段，隨著[R2]的增大，高頻段的回波損耗明顯減??；但是[R2=]10.8 mm的軸比帶寬明顯比[R2=]10.3 mm的要窄，所以取[R2=]10.3 mm。

從圖4中可以看出，[W3]的變化對(duì)阻抗帶寬的影響比較小，而[W3]對(duì)軸比影響較大，隨著[W3]的減小，在低頻段的軸比效果變得越來(lái)越差。

圖5為優(yōu)化后天線的回波損耗和軸比的曲線圖。其10 dB回波損耗帶寬為66.9%（2.12～4.25 GHz），3 dB軸比帶寬為61%（2.12～3.98 GHz）。

2.2 天線性能測(cè)試

為了驗(yàn)證該天線結(jié)構(gòu)的可行性和仿真計(jì)算結(jié)果的正確性，制作了天線實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)試。圖6為天線[S11]的仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比，曲線變化趨勢(shì)吻合較好，并且[S11<-10 dB]的帶寬保持一致。圖7為天線軸比的仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比。可以看到實(shí)測(cè)的結(jié)果與仿真的結(jié)果有一定的出入，原因可能有：天線在加工制作過(guò)程中粗糙的焊接以及在微波暗室的安裝過(guò)程和周圍環(huán)境，這些都可能對(duì)天線軸比測(cè)試產(chǎn)生誤差。

2.3 輻射方向圖與增益

圖8和圖9分別是天線在2.5 GHz和3.5 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)上的[xOz]平面和[yOz]平面的輻射方向圖?？梢钥闯?，在2.5 GHz時(shí)方向圖較好且交叉極化比較小，但是在3.5 GHz時(shí)的方向圖較差。

圖10是天線的增益曲線圖，可知該天線在頻段內(nèi)最小增益為2.6 dB，最大增益達(dá)到4 dB，平均增益為3.5～3.7 dB。

3 結(jié) 論

本文給出的微帶線饋電的寬帶圓極化微帶天線，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，通過(guò)在對(duì)角添加兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，使得天線的軸比在較寬的頻率范圍內(nèi)都能滿足要求。在經(jīng)過(guò)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與研究之后，將天線印刷在FR4介質(zhì)板上，并進(jìn)行了性能測(cè)試。最終實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，3 dB軸比帶寬達(dá)到43.8%，有比較理想的阻抗帶寬，而且在頻段內(nèi)的輻射方向圖也比較理想，平均增益為3.5～3.7 dB。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、加工方便，可廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信及其他領(lǐng)域。

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