尹繼亮

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一種新型V型槽圓極化微帶貼片天線

尹繼亮

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

提出了一種基于非對稱V型槽加載的探針饋電圓極化單層鉆石形微帶貼片天線。通過調(diào)節(jié)V型槽的槽寬、槽長、開槽傾角及饋電點位置可實現(xiàn)微帶貼片天線的圓極化輻射。研究了V型槽尺寸對微帶貼片天線性能的影響。結(jié)果表明：介質(zhì)厚度為0.0510（0為中心工作波長）時，天線的阻抗帶寬大于9%（VSWR≤2），圓極化帶寬為3%（AR≤3），最大增益可達(dá)6.29 dBi，最小軸比小于0.5 dB。

微帶貼片天線；圓極化；軸比；探針饋電；V型槽；鉆石形

圓極化天線能夠接收任意線極化的電磁波，輻射的圓極化電磁波可以被任意線極化的天線接收，且圓極化天線可以有效減小多徑反射的影響、抑制雨霧等氣候引起的去極化效應(yīng)，得到了廣泛的關(guān)注。微帶貼片天線具有質(zhì)量小、成本低、尺寸小、易于加工制造等特點，在無線通信中應(yīng)用廣泛，如雷達(dá)、衛(wèi)星通信、移動通信及導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。但微帶貼片天線屬于諧振類天線，帶寬較窄，限制了多數(shù)寬帶無線通信系統(tǒng)對微帶天線的應(yīng)用。因此拓寬微帶貼片天線的阻抗寬帶及圓極化帶寬成為微帶貼片天線設(shè)計領(lǐng)域的熱門問題。單個單層微帶貼片天線的圓極化可以通過單點饋電或多點饋電實現(xiàn)[3]，多點饋電微帶貼片天線圓極化帶寬寬，但饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計復(fù)雜，對于應(yīng)用于Ka及以上頻段的天線設(shè)計起來更加困難，且饋電網(wǎng)絡(luò)會引入額外的損耗；單點饋電微帶貼片天線結(jié)構(gòu)簡單，但其圓極化帶寬較窄。對于單點饋電微帶貼片天線，通常是在方形貼片的對角線上開槽、在貼片角上加載枝節(jié)、對方形貼片進行切角或者加載非對稱U型槽[4]，產(chǎn)生兩個相鄰的正交諧振模式，實現(xiàn)微帶貼片天線的圓極化輻射。文獻(xiàn)[5-6]提出了一種V型槽加載的鉆石形微帶貼片天線，其相對阻抗帶寬達(dá)到了50%，但其只能輻射線極化波。

本文在文獻(xiàn)[5-6]的基礎(chǔ)上提出了一種新型的鉆石形微帶貼片天線，在鉆石形微帶貼片上引入非對稱V型槽形成圓極化輻射。和普通微帶貼片天線相比，本文提出的鉆石形貼片天線更易于三角形柵格密集布陣。

1 天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)

對矩形微帶貼片天線進行切角和開槽處理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。矩形貼片的長為，寬為，采用同軸探針進行饋電。微帶貼片天線對于yoz平面基本對稱，唯一不對稱的為截頂V型槽，V型槽的兩條臂長度不相等，V型槽的寬度為，V型槽左臂、右臂的長度分別為VL和VR，與軸的夾角為。V型槽距離貼片上邊緣的距離為。饋電點距離貼片下邊緣的距離為F，貼片下方為接地板，尺寸為G×G，接地板與貼片之間為介質(zhì)基板，厚度為。采用相對介電常數(shù)r=2.2的微波介質(zhì)基板，厚度選為=0.0510（0為中心工作波長）。

（a）天線俯視圖

（b）天線側(cè)視圖

圖1 天線結(jié)構(gòu)模型

Fig.1 Geometries of the proposed antenna

當(dāng)矩形貼片進行切角和加載V型槽后，貼片表面的電流路徑受到了擾動，使主模分離為兩個相鄰的正交諧振模式。通過調(diào)節(jié)V型槽的尺寸、位置、饋電點的位置以及切角大小，使這兩個相鄰的諧振模式相互正交且相位相差90°，從而形成圓極化輻射。同時，由于兩個諧振模式諧振點比較靠近，且達(dá)到了較好的匹配狀態(tài)，從而大大展寬了微帶貼片天線的阻抗帶寬。通過調(diào)節(jié)V型槽的臂長，微帶貼片天線可以獲得良好的圓極化輻射特性，如果V型槽的左臂長度比右臂長度短，即（VLVR），則輻射右旋圓極化波。V型槽的左右臂與軸的夾角設(shè)為40°，微帶貼片天線的其他尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線各尺寸參數(shù)

Tab.1 Parameters of the antenna

2 天線仿真與分析

采用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對微帶貼片天線進行全波仿真分析。圖2為微帶貼片天線的電壓駐波比隨歸一化頻率的變化曲線。由圖可見，天線在0.960~1.050（0為中心工作頻率）頻率范圍內(nèi)電壓駐波比VSWR≤2，相對阻抗帶寬為9%。圖3為微帶貼片天線的增益和軸比隨歸一化頻率的變化曲線。由圖可見，天線在0.9850~1.0150頻率范圍內(nèi)軸比AR≤3 dB，相對軸比帶寬為3%，天線的最大增益為6.29 dBi。

圖2 天線電壓駐波比曲線

圖3 天線增益和軸比曲線

3 V型槽參數(shù)分析

影響天線性能的主要參數(shù)有貼片的大小與切角大小，V型槽的寬度、左臂的長度VL、右臂的長度VR、與軸的夾角為以及饋電點的位置等。借助仿真軟件的參數(shù)掃描分析功能，對V型槽的左臂的長度VL、與軸的夾角為及截頂寬度V進行參數(shù)掃描分析，以研究它們對單元性能的影響。利用仿真軟件的靈敏度分析功能，分析了天線加工過程中產(chǎn)生的誤差對天線的諧振頻率的影響。

3.1 V型槽左臂長度對天線的影響

保持天線的其他參數(shù)不變，改變VL的大小，分析對天線電壓駐波比、軸比的影響。圖4為V型槽VL的變化對天線電壓駐波比的影響。圖5為V型槽VL的變化對天線軸比的影響。

分析圖4可知：隨著VL的增大或減小，天線的VSWR逐漸惡化。當(dāng)VL>0.0950或VL<0.0570時，天線在中心工作頻率附近已無VSWR≤2的阻抗帶寬；分析圖5可知：當(dāng)VL由0增大到0.0760時，天線圓極化特性變化較小，天線軸比最小值由偏高頻逐漸向中心頻率移動；當(dāng)VL由0.0760增大到VR（0.1390）時，天線圓極化特性逐漸變差，當(dāng)VL=VR時，天線變成線極化輻射（AR>41 dB）。

圖4 VSWR隨LVL的變化關(guān)系

圖5 天線軸比隨LVL的變化關(guān)系

3.2 V型槽與軸夾角對天線的影響

保持天線的其他參數(shù)不變，改變的大小，分析其對天線電壓駐波比、軸比的影響。圖6為V型槽與軸夾角的變化對天線電壓駐波比的影響。圖7為V型槽與軸夾角的變化對天線軸比的影響。

從圖6可知：的變化對天線的高頻段VSWR影響較大。從圖7可知：隨著的增大，天線軸比最小值向高頻移動。

圖6 VSWR隨θ的變化關(guān)系

圖7 天線軸比隨θ的變化關(guān)系

3.3 V型槽截頂寬度對天線的影響

保持天線的其他參數(shù)不變，改變V的大小，分析對天線電壓駐波比、軸比的影響。圖8為V型槽截頂寬度V的變化對天線電壓駐波比的影響。圖9為V型槽截頂寬度V的變化對天線軸比的影響。

從圖8可知：天線的VSWR對V的變化比較敏感。從圖9可知：V的變化對天線軸比的影響很小。

3.4 加工誤差對天線性能的影響

由于制造工藝水平的限制，實際生產(chǎn)的微帶貼片總會存在一定的誤差。在毫米波頻段，由于頻率高波長短，電性能對尺寸非常敏感，加工誤差對電性能的影響不能忽略，必須考慮加工誤差對諧振頻率的影響。采用HFSS的靈敏度分析功能，分析天線加工過程中產(chǎn)生的誤差對天線的諧振頻率的影響。在眾多參數(shù)中，對諧振頻率的影響較大。目前印制板蝕刻工藝的加工誤差為±0.025 4 mm，假定加工誤差服從正態(tài)分布，的均值取0.3370，均方差取誤差值的三分之一。計算天線在不同誤差值下的諧振頻率值。通過統(tǒng)計分析，諧振頻率的均值為0，均方差0.002 10，相對于均值的偏離量百分比為0.21%。在±0.025 4 mm的誤差范圍內(nèi)，諧振頻率的最大誤差百分比為0.51%。這一結(jié)果能被大多數(shù)的工程應(yīng)用所接受。

圖8 VSWR隨WV的變化關(guān)系

圖9 天線軸比隨WV的變化關(guān)系

4 結(jié)論

研究了一種圓極化鉆石形微帶貼片天線，通過加載非對稱截頂V型槽實現(xiàn)了微帶貼片天線的圓極化輻射。結(jié)果表明，天線的相對阻抗帶寬大于9%，圓極化帶寬為3%。加工誤差造成的諧振頻率誤差百分比最大為0.51%，能被大多數(shù)的工程應(yīng)用所接受。所設(shè)計的天線可以直接應(yīng)用于實際工程中，并可推廣到要求三角形密集布陣的天線陣列設(shè)計中。

[1] BALANIS C A. Antenna theory-analysis and design [M]. Hoboken, USA: John Wiley&Sons, Inc, 2005: 70-80.

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[5] RAFI G, SHAFAI L. Wideband V-slotted diamond-shaped microstrip patch antenna [J]. Electron Lett, 2004, 40(19): 1166-1167.

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（編輯：陳渝生）

Circularly polarized V-slot microstrip patch antenna

YIN Jiliang

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A new microstrip antenna with asymmetrical V-slotted diamond-shaped patch on a single-layer dielectric and probe feed was proposed. The circular polarization was achieved by tuning the width, the arm lengths, the arm angle of the V-slot and the excitation position. Effects caused by different parameters of the V-slot on the antenna were studied. The simulation results show that about 9% relative impedance band of VSWR≤2 is achieved when the dielectric thickness is about 0.0510(the center wave length). The 3 dB axial ratio bandwidth of the antenna is 3%. Moreover, the max gain of the antenna reaches 6.29 dBi and the best axial ratio is lower than 0.5 dB.

microstrip patch antenna; circular polarization; axial ratio; probe-fed; V-slot; diamond shape

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.014

TN823

A

1001-2028（2017）01-0072-04

2016-12-06

尹繼亮（1984－），男，江西吉安人，工程師，碩士，從事相控陣天線技術(shù)研究，E-mail: jiliang_yin@163.com 。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.014.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-12-30 10:24:32