多频段宽带圆极化天线的研究与设计

多频段宽带圆极化天线的研究与设计

张仕伦 张玉倩

天津七六四通信导航技术有限公司 天津市 300210

摘要：本文设计了一种工作在ＷＬＡＮ的多频段宽带圆极化天线．天线由３层贴片堆叠而成，通过切去每层贴片右对角线的切角而产生左旋圆极化．为了提高天线的阻抗带宽和轴比带宽，将天线的下层贴片和中层贴片的中心都蚀刻一个方形缝隙．此外，为了改善天线中层贴片的阻抗匹配，在中层贴片蚀刻一个矩形窄缝．仿真结果表明，天线工作频段的中心频率为２．０５ＧＨｚ，２．４５ＧＨｚ和３．４８ＧＨｚ，相应的相对带宽分别为３．８％，４．５％和５．１％．相较没有蚀刻方形缝隙的堆叠型圆极化天线，３个工作频段相应的相对带宽分别提高了４．２倍，２．８倍和１．８倍。

关键词：圆极化；轴比；堆叠贴片；多频带天线

引言

近些年来，无线通信技术飞速发展，蜂窝电话、全球定位系统（GPS）、合成孔径雷达（SAR）、卫星通信、个人通信等领域都需要重量轻、剖面低、制造简单、易共形的宽频带或双频段天线。为了能够使天线双频工作,通常可以通过以下几种方法实现：①层叠贴片；②共面贴片；③模式正交；④集总元件加载（包括短路针、缝隙等）；⑤加载人工电磁结构。文献[2-3]中提出了一种新颖的圆极化微带天线的设计方法，即通过将印刷磁偶极子与一个环形结构或者一个电偶极子组合实现。尽管该方法能够实现圆极化端射辐射特性，但是存在着显著的缺陷，如带宽窄、馈电方式受限以及不易组阵等。为此，本节提出了一种基于SIW加载技术的圆极化双频天线。通过在微带贴片顶端的偶极子侧面另加载一对形状不同的偶极子实现双频特性；通过SIW口径与印刷电偶极子为两种正交的场分量提供90°的相位差，实现圆极化特性。该天线两个频段的阻抗带宽分别达到46%与27%，轴比带宽分别为3.3%与10.9%，最大增益分别达到5.8dBi与9.3dBi。该天线有较好的圆极化特性，剖面较低，制作简单，成本较低，在无线通信系统中具有重要的应用价值。

1天线基本结构

本文设计的天线结构如图１所示。

该天线由在３层ＦＲ４介质板上蚀刻的３个不同尺寸的方形贴片构成．介质板厚度从上到下分别为ｈ１＝ｈ２＝０．４ｍｍ，ｈ３＝１．６ｍｍ．天线的上层、中层与下层贴片均为正方形，尺寸分别为ａ１，ａ２，ａ３，其工作频率分别覆盖ＷＬＡＮ的２．１ＧＨｚ，２．４ＧＨｚ，３．５ＧＨｚ　３个频段．天线上层贴片馈电采用５０Ω的同轴探针馈电．同轴探针半径为ｒ１，中间和下层贴片上蚀刻半径为ｒ２的圆形孔，同轴探针穿过这些圆形缝隙给上层贴片馈电，其坐标位置为（ｌ１，０）．中层和下层贴片通过上层贴片的耦合进行激励．为了提高天线的阻抗带宽和轴比带宽，在中层贴片上蚀刻了长宽均为ｂ２的方形缝隙；在下层贴片上蚀刻长宽均为ｂ４的方形缝隙．另外，在中层蚀刻坐标为（－ｃ１，０），长为ｃ３，宽为ｃ４的矩形窄缝来改善中间贴片的阻抗匹配问题．根据天线的工作频率和介质基板的厚度以及介电常数等参数，可计算得到天线的参数，并在ＨＦＳＳ仿真软件中进一步优化，优化后的部分天线尺寸如表１所示。

2天线参数的影响

天线结构中，中层贴片蚀刻的矩形缝隙以及下层贴片蚀刻的方形缝隙对天线的反射系数和轴比的影响很大，在分析某一参数对性能的影响时，其他参数保持不变．图２给出了中层贴片蚀刻的矩形缝隙的宽度ｃ３为０．５ｍｍ，１ｍｍ和１．５ｍｍ时，天线反射系数与频率变化的曲线．从图２中看出，随着ｃ３的逐渐增大，天线在高频处阻抗带宽逐渐减小．对比发现，当ｃ３为０．５ｍｍ时，天线在３．４８ＧＨｚ处阻抗带宽最大，故选择ｃ３为０．５ｍｍ．图３分析了中层贴片蚀刻的矩形缝隙的长度ｃ４为９ｍｍ，１０ｍｍ和１１ｍｍ时，天线反射系数与频率变化的曲线．从图３中看出，随着ｃ４的逐渐增大，天线在低频处谐振频率有缓慢上升的趋势．对比发现，ｃ４＝１０ｍｍ时，天线在２．０５ＧＨｚ和２．４５ＧＨｚ处反射系数最大，说明天线传输性能此时最好，故选择ｃ４为１０ｍｍ。图４分析了下层贴片蚀刻的方形缝隙的长宽尺度ｂ３为７ｍｍ，８ｍｍ和９ｍｍ时，天线反射系数与频率变化的曲线．从图４中可以看出，随着ｂ３的增大，天线在低频的谐振频率逐渐降低．对比发现，天线在ｂ３＝８ｍｍ时在２．４５ＧＨｚ处反射系数最大，且在２．０５ＧＨｚ时天线阻抗带宽在３者中最宽，故选择下层贴片蚀刻方形缝隙长宽ｂ３都为８ｍｍ。

图２

天线参数ｃ３对天线Ｓ１１的影响

图３　天线参数ｃ４对天线Ｓ１１的影响

图４

天线参数ｂ３对天线Ｓ１１的影响

3天线仿真结果

在ＨＦＳＳ１５中，我们对天线参数进行仿真．如图５是天线反射系数的仿真图，对比下层贴片和中间贴片没有蚀刻方形缝隙，只是３层介质板上蚀刻３个贴片，且３层介质板堆叠在一起的参考天线的反射系数，我们发现其相对带宽得到明显增强，３个频率的工作频带分别为２～２．０８ＧＨｚ，２．３８～２．４９ＧＨｚ和３．４～３．４８ＧＨｚ，相应的相对带宽分别为３．８％，４．５％，５．１％．而之前的堆叠贴片没有蚀刻方形缝隙的圆极化贴片天线，在工作频率为２．０５ＧＨｚ的情况下，相对带宽为０．９％；当工作频率为２．４５ＧＨｚ时，相对带宽为１．６％；当工作频率为３．４８ＧＨｚ时，相对带宽为２．８％．即工作频率为２．０５ＧＨｚ时，相对带宽为原来的４．２倍；工作频率为２．４５ＧＨｚ时，相对带宽为原来的２．８倍；工作频率为３．４８ＧＨｚ时，相对带宽为原来的１．８倍．

结语

本文设计了一款多频宽带切角圆极化天线，天线工作频率覆盖ＷＬＡＮ频段．天线采用３层堆叠贴片来实现多频工作，并在中层贴片蚀刻一个矩形缝隙来提高其阻抗匹配，在下层贴片和中层贴片开方形缝隙来增大天线的阻抗带宽和轴比带宽．仿真结果表明，天线中心频率分别为２．０５ＧＨｚ，２．４５ＧＨｚ，３．４８ＧＨｚ，其带宽分别为３．８％，４．５％，５．１％，与未蚀刻方形缝隙时比较，相对带宽比之前提高了４．２倍，２．８倍和１．８倍．天线辐射方向图呈现较好的左旋圆极化特性．

参考文献

[1]王威，苗俊刚，梁彬．Ｌ波段矩形切角圆极化微带天线的设计［Ｊ］．电子测量技术，２０１０，３３（１２）：１－３．

[2]卢红，张文梅，韩丽萍，等．宽频带圆极化交叉偶极子天线设计［Ｊ］．测试技术学报，２０１８，３２（４）：３４４－３４８．

[3]刘江，张文梅，韩丽萍，等．小型双频圆极化贴片天线［Ｊ］．测试技术学报，２０１７，３１（４）：３２４－３２９．