一種新型圓極化微帶天線的分析與設(shè)計(jì)

微帶天線因其重量輕、體積小、易于集成等令人矚目的特點(diǎn)在無線移動(dòng)通信設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。通常將微帶天線設(shè)計(jì)成線極化模式，由于圓極化天線可以接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線接收到，因此當(dāng)前高性能的圓極化微帶天線的應(yīng)用越來越廣泛。提到了關(guān)于實(shí)現(xiàn)圓極化的方法,但圓極化特性與帶寬特性不是很理想。本文提出了一種新型實(shí)現(xiàn)圓極化的天線結(jié)構(gòu)，通過在貼片的一個(gè)對邊分別開槽得到圓極化并提高了帶寬特性。

2 圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常單饋點(diǎn)天線實(shí)現(xiàn)圓極化不需要外加移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，因此被廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了一種新型圓極化微帶天線，實(shí)現(xiàn)了天線的寬帶特性。微帶天線一般可用腔模理論進(jìn)行分析，對于普通沒有開槽的正方形貼片，通常工作于TM₁₀模和TM₀₁模，它們是方形貼片的主模。天線在線極化工作時(shí)一般只需要激勵(lì)其中一種模式，而圓極化微帶天線工作時(shí)必須同時(shí)激勵(lì)出兩種模式，當(dāng)饋電點(diǎn)位于對角線上時(shí)，可以同時(shí)激勵(lì)出 TM₁₀模和TM₀₁模，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對稱，兩種模式的電流分布完全相同，對應(yīng)的兩個(gè)正交極化場的幅度和相位也完全相同，所以合成的總場仍為線極化。而當(dāng)在貼片上開一個(gè)X方向或Y方向的矩形槽后，貼片上TM₀₁模的表面電流分布將發(fā)生一些變化，而TM₁₀模的表面電流基本沒有受影響，開槽后貼片表面電流分布如圖1,TM₀₁模的表面電流路徑增加, 對應(yīng)諧振頻率降低。此時(shí)TM₁₀模和TM₀₁模的諧振頻率不同，變化幅度不同。通過調(diào)整槽的長度，使工作頻點(diǎn)上TM₁₀ 和TM₀₁模的場幅度相同，相位相差90°則可以得到圓極化。

圖1 TM₀₁模電流分布

利用如圖2所示的方法來實(shí)現(xiàn)圓極化，在貼片一邊上開槽，饋電點(diǎn)位于對角線上。這是一個(gè)左旋圓極化貼片天線。

圖2 圓極化貼片天線

2 仿真模型與測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一種新型圓極化貼片天線,在原有模型上給貼片對邊再開一個(gè)槽,仿真模型如圖3所示。對此模型，我們采用軟件Ansoft HFSS11 進(jìn)行了仿真，經(jīng)過優(yōu)化后各參數(shù)為：L=28mm,h=2mm,er=2.65,Ls=4.9mm,Ws=1. 5mm,Xf=Yf=4.75mm，兩個(gè)縫隙分別開在貼片兩邊沿的1/4與3/4處。

圖3 新型圓極化天線仿真模型

如圖4為這種新型天線的實(shí)物圖。圖5為反射系數(shù)曲線，從圖中可以看出實(shí)測結(jié)果略優(yōu)于仿真結(jié)果，兩個(gè)結(jié)果基本吻合。實(shí)測結(jié)果顯示在S₁₁-10dB時(shí)天線的帶寬大于160MHz，實(shí)現(xiàn)了很好的寬帶特性。作者這是因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)使得電流流向更加曲折，從而展寬了一定帶寬。圖6為天線的軸比曲線，結(jié)果顯示軸比小于-3dB的帶寬約為30MHz。圖7為天線的E面方向圖。從圖可以看出交叉極化小于-15dB。

圖4 天線實(shí)物圖

圖5 反射系數(shù)曲線

圖6 軸比曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種新型開槽微帶貼片天線，通過在貼片兩邊分別開槽實(shí)現(xiàn)圓極化功能。文中給出了天線的仿真和實(shí)測結(jié)果，結(jié)果表明這種天線可以實(shí)現(xiàn)較好的圓極化特性。

圖7 天線E面方向圖