周　東，孫玉發(fā)，胡少啟（安徽大學(xué)計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥　230039）

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一種易于調(diào)諧的小型圓極化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

周東，孫玉發(fā)，胡少啟
（安徽大學(xué)計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230039）

摘要：文章設(shè)計(jì)了一款易調(diào)諧的小型圓極化微帶天線(xiàn)，采用在方形貼片表面對(duì)角開(kāi)槽的方式減小天線(xiàn)尺寸，利用在地板上加載2對(duì)非對(duì)稱(chēng)的窄槽來(lái)激發(fā)圓極化輻射波，并在地板中心處加載1個(gè)方形槽以實(shí)現(xiàn)易調(diào)諧特性。對(duì)制作的天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，在全球定位系統(tǒng)（Global Positioning Systems，GPS）1.575 GHz頻點(diǎn)上軸比為0.55 dB，圓極化帶寬為17 MHz，有效地克服了表面開(kāi)槽對(duì)圓極化性能的影響，與傳統(tǒng)天線(xiàn)相比具有易調(diào)諧、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，具有良好的工程實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：開(kāi)槽；圓極化；微帶天線(xiàn)；全球定位系統(tǒng)；易調(diào)諧

孫玉發(fā)（1966-），男，安徽全椒人，博士，安徽大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，多樣化的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning Systems，GPS）天線(xiàn)的設(shè)計(jì)需求也日益增加。GPS民用頻段的中心頻率為1.575 GHz，極化方式為右旋圓極化。圓極化微帶天線(xiàn)在繼承普通微帶天線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上具有以下優(yōu)點(diǎn)：①能夠接收任意極化的電磁波；②利用圓極化微帶天線(xiàn)的旋向正交性，使其在分集技術(shù)和電子對(duì)抗中得到了廣泛的應(yīng)用；③由于圓極化電磁波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)，因此能夠抑制雨霧干擾和抵抗多路徑反射［1］。

近年來(lái)，微帶天線(xiàn)的開(kāi)槽技術(shù)迅速發(fā)展，有關(guān)功能各異的開(kāi)槽方式的研究也日益增多。文獻(xiàn)［2］在圓環(huán)形槽天線(xiàn)上加載一個(gè)倒U形槽，實(shí)現(xiàn)了諧波抑制的目的；文獻(xiàn)［3-5］分別采用輻射貼片表面開(kāi)槽和地板開(kāi)槽的方式減小了天線(xiàn)的尺寸；文獻(xiàn)［6-7］采用地板刻槽方式使得圓極化天線(xiàn)的增益得到了提高；文獻(xiàn)［8-9］通過(guò)采用加載U形和L形槽實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋。

本文采用表面開(kāi)槽曲流技術(shù)減小傳統(tǒng)方形天線(xiàn)尺寸，通過(guò)對(duì)角線(xiàn)單點(diǎn)饋電方式并結(jié)合地板刻槽引入微擾，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化輻射。地板刻槽有效地避免了天線(xiàn)輻射表面對(duì)角線(xiàn)上的開(kāi)槽對(duì)圓極化性能的破壞。另外，在不改變天線(xiàn)輻射性能的情況下，調(diào)節(jié)地板中心處的方形槽尺寸可以調(diào)諧圓極化頻率，為圓極化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)提供了便利。

1　天線(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微帶天線(xiàn)要實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的關(guān)鍵是激勵(lì)出2個(gè)幅度相等、極化方式正交、相位相差90°的線(xiàn)極化波［10-11］。本文采用對(duì)角線(xiàn)上單點(diǎn)饋電方式，并結(jié)合合適的地板開(kāi)槽，在輻射貼片單元表面激發(fā)出極化方式正交、幅度相等的2個(gè)簡(jiǎn)并模，通過(guò)調(diào)節(jié)槽的大小和相對(duì)位置在2個(gè)簡(jiǎn)并模之間形成90°相差，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化波的輻射。該天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

天線(xiàn)采用邊長(zhǎng)為S的正方形輻射單元，地板中心處為Cr×Cr的方形槽，對(duì)應(yīng)于貼片下方的是兩對(duì)非對(duì)稱(chēng)的窄槽；輻射貼片表面采用對(duì)角開(kāi)L1S×W1S的長(zhǎng)方形槽來(lái)縮減天線(xiàn)尺寸。

本文利用Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS 13.0對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了大量的電磁仿真和優(yōu)化計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)角線(xiàn)上饋電的輻射貼片天線(xiàn)在進(jìn)行對(duì)角開(kāi)槽時(shí)，圓極化性能會(huì)明顯減弱，其表面電流分布如圖2a所示；為改善圓極化性能，在地板處進(jìn)行開(kāi)槽處理，受地板開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的影響，表面電流分布受到了較大程度的改變，如圖2b所示。相位從0°～270°變化的電流分布呈明顯的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，表明該天線(xiàn)激發(fā)出了右旋圓極化輻射波。槽的尺寸為：Dx＝31 mm，Dy＝36 mm，Lx＝12 mm，Ly＝7.5 mm，K1＝10.25 mm，K2＝13 mm，W1＝1 mm，Cr＝6 mm。經(jīng)過(guò)不斷地仿真和優(yōu)化，正方形輻射貼片的邊長(zhǎng)S最終確定為41 mm（≈0.44λg），與傳統(tǒng)的方形天線(xiàn)（邊長(zhǎng)近似為0.5λg）相比，面積減小了22%。輻射貼片表面開(kāi)槽的長(zhǎng)度L1S＝13.3 mm，寬度W1S＝1 mm，若以方形天線(xiàn)中心為原點(diǎn)，則饋電點(diǎn)坐標(biāo)為（7.5，7.5），接地板邊長(zhǎng)為70 mm。

圖2　天線(xiàn)表面電流比較

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

天線(xiàn)板材選用雙面FR4介質(zhì)基板，其相對(duì)介電常數(shù)εr＝4.4，損耗角正切值tan δ＝0.02，厚度h＝1.6 mm。S11和軸比的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖3所示，從圖3可看出，仿真和測(cè)試結(jié)果吻合良好，S11＜-10 dB的帶寬為64 MHz（4.06%），3 dB軸比帶寬（圓極化帶寬）為17 MHz（1.08%），在中心頻率1.575 GHz處軸比為0.55 dB，呈現(xiàn)出了良好的圓極化特性。

圖3　S11和軸比的仿真與測(cè)試結(jié)果

圓極化天線(xiàn)在實(shí)際制作時(shí)，由于加工誤差和介質(zhì)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致圓極化頻率偏離中心頻率，此時(shí)方便快捷地調(diào)諧圓極化頻率使其準(zhǔn)確地落在工作頻點(diǎn)上尤為重要。在其他參數(shù)不變的情況下，圓極化頻率隨地板中心處方形槽尺寸的變化如圖4a所示，由圖4a可見(jiàn)，調(diào)節(jié)方形槽的尺寸可改變圓極化頻率，且對(duì)天線(xiàn)圓極化性能的影響非常小。不同Cr值的Smith圓圖如圖4b所示，由圖4b可以看出，當(dāng)Cr從5.5 mm增大到6.5 mm時(shí)，輸入阻抗的偏移量很小，從而保證了微調(diào)圓極化頻率的有效性。

地板處2對(duì)非對(duì)稱(chēng)窄槽的相對(duì)位置Dx、Dy對(duì)軸比的影響如圖5所示，由圖5可知，Dx從29 mm增大到33 mm時(shí)，圓極化性能發(fā)生了微小的改變，Dy略微減小時(shí)，軸比卻從0.55 dB變化到了2.5 dB，圓極化性能呈現(xiàn)出變差的趨勢(shì)。

圖4　不同Cr值的軸比和Smith圓圖

圖5　Dx和Dy的變化對(duì)軸比的影響

W1的變化對(duì)S11和軸比的影響如圖6所示。

圖6　W1的變化對(duì)S11和軸比的影響

由圖6可知，W1從0.5 mm變化到1.5 mm時(shí)，對(duì)S11＜- 10 dB的帶寬影響甚小，圓極化頻率隨W1的增大向低頻段偏移，當(dāng)W1＝1.0 mm時(shí)圓極化性能最佳。2對(duì)非對(duì)稱(chēng)窄槽的長(zhǎng)度Lx和Ly對(duì)S11和軸比的影響如圖7、圖8所示。

圖7　Lx的變化對(duì)S11和軸比的影響

圖8　Ly的變化對(duì)S11和軸比的影響

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Lx和Ly的變化均對(duì)S11＜- 10 dB的帶寬影響很小，隨著Lx、Ly的變化，圓極化頻率均向低頻偏移，從圓極化性能上看，Lx從12 mm變化到10 mm以及Ly從7.5 mm變化到9.5 mm時(shí)，3 dB軸比帶寬呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)。

輻射貼片表面對(duì)角開(kāi)槽的長(zhǎng)度L1S的變化對(duì)S11的影響如圖9所示。

圖9　不同的L1S值對(duì)應(yīng)的S11曲線(xiàn)

由圖9可看出，對(duì)角開(kāi)槽的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，天線(xiàn)的諧振頻率越向低頻偏移，這是由于表面開(kāi)槽使得電流路徑變長(zhǎng)。若過(guò)分增加輻射單元表面對(duì)角槽的長(zhǎng)度，天線(xiàn)的有效輻射面積也會(huì)相應(yīng)減小，這將會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)的增益和輻射效率的降低，綜合考慮，對(duì)角開(kāi)槽長(zhǎng)度L1S取13.3 mm時(shí)最為適宜。

在微波暗室內(nèi)用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)該天線(xiàn)進(jìn)行電性能測(cè)試。天線(xiàn)增益測(cè)試曲線(xiàn)如圖10所示，中心頻率處的增益為2.06 dBi，而且在該頻點(diǎn)附近增益變化平緩。天線(xiàn)在中心頻率為1.575 GHz時(shí)的實(shí)測(cè)方向圖如圖11所示，圖11中，LHCP為左旋圓極化（left-handed circular polarization）；RHCP為右旋圓極化（right-handed circular polarization）。由圖11可知，天線(xiàn)的半功率波瓣寬度為95°以上，軸向上的交叉極化隔離度大于20 dB，滿(mǎn)足GPS天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求。

圖10　天線(xiàn)的增益

圖11　天線(xiàn)方向圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種易于調(diào)諧的小型GPS圓極化微帶天線(xiàn)。該天線(xiàn)綜合了開(kāi)槽曲流技術(shù)、對(duì)角線(xiàn)單點(diǎn)饋電和地板開(kāi)槽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型化和圓極化，地板上的開(kāi)槽使其圓極化性能易于調(diào)諧。研究表明，簡(jiǎn)單地改變中心方槽的大小就能便捷地調(diào)諧圓極化頻率，并且保持了良好的圓極化性能。該方案為天線(xiàn)組陣和改善開(kāi)槽天線(xiàn)的圓極化性能提供了思路。

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（責(zé)任編輯閆杏麗）

Design of an easy tuning compact circular polarization microstrip antenna

ZHOU Dong，SUN Yu-fa，HU Shao-qi
（Key Laboratory of Intelligent Computing and Signal Processing of Ministry of Education，Anhui University，Hefei 230039，China）

Abstract：An easy tuning compact circular polarization microstrip antenna is designed.The size of the antenna is reduced by cutting the diagonal slots on the square patch.Two pairs of asymmetric narrow slots are loaded into the ground plane for circular polarization.To achieve the performance of easy tuning，an additional square slot is loaded into the center of the ground plane.A prototype of antenna is fabricated and tested.The measured results show that the value of axial ratio is around 0.55 dB and the axial ratio bandwidth is 17 MHz at 1.575 GHz in Global Positioning Systems（GPS），which effectively overcomes the influence of surface slots on the performance of circular polarization.Compared with the traditional antenna，the proposed antenna has the advantages of compact structure，easy tuning and good prospects for the applications.

Key words：cutting slot；circular polarization；microstrip antenna；Global Positioning Systems（GPS）；easy tuning

作者簡(jiǎn)介：周東（1989-），男，安徽安慶人，安徽大學(xué)碩士生；

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61172020）

收稿日期：2014-12-01；修回日期：2015-03-23

Doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.018

中圖分類(lèi)號(hào)：TN822.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060（2016）01-0094-05