采用L 型饋電結(jié)構(gòu)的寬帶圓極化微帶天線

盧佳妮，丁付兵，司貴寶，韓榮蒼，孫如英

（臨沂大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

1 研究背景及意義

無線通信技術(shù)快速發(fā)展，各種通信制式應(yīng)運而生，在無線終端設(shè)備上常常需要支持不同的通信協(xié)議。為降低硬件成本，能夠兼容多個工作頻段的寬帶天線很受青睞。在電磁干擾中為同時執(zhí)行雷達、電子戰(zhàn)和通信的電子功能，要求天線能夠覆蓋各種無線電頻段。因此，設(shè)計寬頻帶圓極化微帶天線具有重要的意義。圓極化（Circular-Polarization，CP）波在無線通信中也比線極化波更有優(yōu)勢[1]。首先，圓極化波可由任意極化天線接收；其次，圓極化波入射到對稱目標(biāo)上極化旋向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，因此在無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航時能抑制雨霧干擾，并且具有更好的抗多徑反射[1]性能。所以，在無線通信系統(tǒng)中寬頻帶圓極化天線往往更受關(guān)注。

對于圓極化微帶天線，實現(xiàn)寬頻帶的天線結(jié)構(gòu)基本上分為3 種：寬縫隙結(jié)構(gòu)[2-3]、單極子結(jié)構(gòu)[4-5]和貼片結(jié)構(gòu)[6-7]。后2 種結(jié)構(gòu)屬于雙向輻射天線，天線增益受到結(jié)構(gòu)的先天限制，不易實現(xiàn)高增益。本文采用單向輻射的貼片結(jié)構(gòu)。在這類天線中實現(xiàn)圓極化的方案基本分為2 類，一類是單點饋電型，一類是多點饋電型[8]。單點饋電型圓極化微帶貼片天線的饋電網(wǎng)絡(luò)往往比較簡單，要實現(xiàn)寬帶工作特性，一般采用多層堆疊結(jié)構(gòu)。但這類天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，貼片的層數(shù)、尺寸和各層介質(zhì)的厚度都是影響天線性能的關(guān)鍵指標(biāo)，設(shè)計復(fù)雜度高。對于多點饋電型圓極化微帶天線，饋電網(wǎng)絡(luò)往往采用正交耦合器，容易實現(xiàn)寬頻帶設(shè)計。本文采用的饋電網(wǎng)絡(luò)采用威爾金森功分器，其帶寬接近100%，完全滿足一般寬帶功率分配的需要；但是常規(guī)的差分線移相器帶寬受限于均勻傳輸線對頻率的依賴性，一般在10%左右，與威爾金森功分器的帶寬很不匹配。

本文的主要創(chuàng)新點是設(shè)計了一款寬帶移相器，并與功率分配器相級聯(lián)構(gòu)成了一套寬帶正交耦合器。在饋電機制上，采用L 型饋電結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)引入容性耦合饋電機制，克服了傳統(tǒng)的探針饋電結(jié)構(gòu)感抗過大的缺陷，實現(xiàn)了良好的阻抗匹配。研究結(jié)果表明，該天線的阻抗帶寬達到41.3%，軸比帶寬達到了41%。

2 天線的結(jié)構(gòu)

提出的圓極化寬帶微帶天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示，（a）為俯視圖，（b）為側(cè)視圖。該天線使用了三層高頻介質(zhì)板，具體結(jié)構(gòu)如下：饋電網(wǎng)絡(luò)位于最下層介質(zhì)板上，其長×寬＝75×75 mm2，兩輸出端口分別在正交的位置連接一套L 型饋電結(jié)構(gòu)，饋電結(jié)構(gòu)的水平部分放置在第二層介質(zhì)板上，正方形輻射貼片置于頂層介質(zhì)板上。第一、二層介質(zhì)基板采用F4B-2 型高頻介質(zhì)板，其相對介電常數(shù)εr＝2.65，損耗角正切tanδ＝0.003，厚度均為1 mm。頂層采用FR-4 型介質(zhì)板，其相對介電常數(shù)εr＝4.4，損耗角正切tanδ＝0.02，厚度t3＝0.8 mm。介質(zhì)板之間的距離分別為h1＝8 mm，h2＝4 mm。

圖1 天線幾何結(jié)構(gòu)圖

天線的饋電網(wǎng)絡(luò)由兩部分構(gòu)成，一是采用1/4 波長傳輸線作為匹配器的威爾金森功分器，一是一個寬帶差分移相器。移相器的主通路是一個H 型多模諧振器，其兩端并聯(lián)有一對1/8 波長開路線和一對1/8 波長短路線，中間是一條半波長均勻傳輸線。該移相器在55%的工作帶寬（S11＜-15 dB）內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)90°移相[2]，相位偏差僅3°。

3 實驗結(jié)果與分析

采用ANSYS HFSS15.0 對天線進行了全波仿真和優(yōu)化，仿真優(yōu)化后的天線各參數(shù)的值見表1。衡量天線的主要技術(shù)指標(biāo)呈現(xiàn)如下。在阻抗匹配方面，反射系數(shù)S11的仿真結(jié)果如圖2 所示，在2.45～3.69 GHz 范圍內(nèi)，S11的值均小于-10 dB，阻抗帶寬達到41.3%。

圖2 S11 隨頻率的變化關(guān)系

表1 天線各參數(shù)的尺寸 單位：mm

如圖3 所示，該天線實現(xiàn)了較寬的圓極化軸比帶寬，從2.46 GHz 到3.69 GHz 頻段內(nèi)的3 dB 的軸比帶寬為41%，體現(xiàn)了較良好的圓極化輻射特性。天線增益隨頻率的變化關(guān)系如圖4 所示，增益＞3 dBi 覆蓋頻段大于阻抗匹配和軸比帶寬，具有典型的高增益天線特征，該天線在通帶內(nèi)的最大增益達到了7.96 dBi（3.05 GHz）。

圖3 天線的軸比隨頻率的變化關(guān)系

圖4 天線增益隨頻率的變化關(guān)系

天線在中心頻率3.0 GHz 的輻射方向圖的仿真結(jié)果如圖5 所示。圖中分別畫出了天線在兩個正交面xoz與yoz 面方向圖。結(jié)果顯示該天線在+z 方向上輻射LHCP（左旋圓極化）波，高于其交叉極化RHCP（右旋圓極化）波20 dB 以上。

圖5 3.0 GHz 處天線的輻射方向圖

為了考察天線輻射場的寬帶特性，我們給出了2.5 GHz 和3.6 GHz 處輻射方向圖，分別如圖6 和圖7 所示，其在主輻射方向上均保持較好的圓極化輻射特性。

圖6 2.5 GHz 處天線的輻射方向圖

圖7 3.6 GHz 處天線的輻射方向圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計的左旋圓極化微帶天線，其工作帶寬覆蓋2.46 GHz 至3.69 GHz 頻段，綜合阻抗匹配、軸比特性和增益等主要指標(biāo)，其相對帶寬超過40%，在寬帶無線通信系統(tǒng)具有很大的工程應(yīng)用價值。