基于阿基米德螺旋缝隙的宽带圆极化天线设计

王 宸

(中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036)

0 引 言

众所周知，当圆极化波到达均匀物体时会反射极化反向的圆极化波。此外，圆极化天线可以接收任意极化来波的同时，它的散射波也可以被任意极化天线所接收[1]。因此,为了发射和接收天线可以灵活定向且避免严重的极化失配，圆极化天线在雷达、无线通信和导航等领域引起了广泛关注[2-4]。而印刷天线由于低剖面、结构简单、易于加工的优点也同样受到关注。因此圆极化印刷微带天线成为大量学者的研究方向。

在近几年的圆极化天线研究中，双馈圆极化天线比单馈圆极化天线具有更宽的阻抗带宽和轴比带宽。但为了达到双馈点90°的相位差，往往需要复杂的馈电网络[5]。如何利用单点馈电达到宽带圆极化，成为了圆极化天线的新课题。国内外学者在这方面做了大量研究，设计了多种天线形式(如介质谐振天线[6]、可重构贴片天线[7]、单极天线[8]以及印刷缝隙天线[9-10])。虽然上述天线均提高了圆极化工作带宽，但最大的3 dB轴比带宽仍然小于40%。

本文提出一种基于阿基米德螺旋渐变结构的宽带印刷圆极化天线。该天线由渐变的微带线馈电，通过槽线-微带过渡将微带馈线与渐变缝隙辐射结构连接，通过优化结构参数得到较宽的轴比和阻抗带宽。

1 天线设计

图1为天线结构示意图。天线介质板厚1.5 mm，长宽为55 mm×55 mm，相对介电常数为4.4。射频信号通过射频接头传输到微带线，再耦合到缝隙线。微带线可以与SMA射频接头焊接，从而使天线可以与基于印刷电路板(PCB)的射频电路相连，降低制造成本。其中W1为梯形渐变微带线的起始宽度，W2为最终宽度。为避免微带馈电线超出缝隙线边沿，耦合到辐射缝隙内部影响辐射特性，在渐变微带线顶端加载T形结构。最终射频信号在宽度渐变缝隙两边形成表面波，从而激励起圆极化波。2条螺旋线F1，F2和弧线F3形成了辐射缝隙。F1以O点为中心的极坐标方程可表示为：

r=k+S1·φ，φ=[t1,2π]

(1)

F2以O点为中心的极坐标方程为：

r=k+ku+S2·φ，φ=[t2,2π]

(2)

式中：k为螺旋线起始半径；ku为渐变缝隙的初始宽度(即F1与F2在φ=0时之间的距离)；S1、S2分别为2条螺旋线的渐变常数；φ为方位角；r为原点O到曲线上任意一点的距离；t1，t2分别为2条螺旋线方位角φ的起始值。

利用电磁仿真软件HFSS进行仿真，最后得到天线的最优结构尺寸参数如表1所示。

表1 结构尺寸参数表

图1 天线结构示意图 (浅色为上层覆铜、深色部分为下层覆铜，无色部分为缝隙)

2 结果与讨论

为了研究天线主要尺寸参数对主要电性能(电压驻波比和轴比)的影响，利用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析。图2、图3、图4分别给出了主要结构尺寸参数(k、S1、g)取值不同时，天线电压驻波比和轴比对应的变化曲线。

图2 (a)和(b)给出了渐变缝隙的起始半径k取不同值时，对天线电性能影响的仿真结果。从图2中可以看出，随着参数k不断加大，天线谐振点(即驻波比最小点)逐渐移动到较低频率。同时轴比带宽变窄。

图2 参数k对天线电性能的影响

图3(a)和(b)分别为参数S1、S2对驻波比和轴比影响的仿真曲线。从图3可以看出，随着参数S1、S2的增加，电压驻波比曲线抖动明显，同时谐振点会移向较低频率方向；高频部分轴比变差，低频部分轴比变化无规律。

图3 参数S1、S2对天线电性能的影响

图4的(a)和(b)为g取值不同时，天线驻波比和轴比的仿真结果。从图中看出，随着g逐渐增长，电压驻波比曲线抖动减弱，同时带宽变窄；轴比带宽先变宽，后变窄。

图4 参数g对天线电性能的影响

经过不断优化，最优参数下天线阻抗带宽仿真结果如图5所示。可以看出，电压驻波比小于2的阻抗带宽范围从3.2 GHz到6.5 GHz，相对于中心频率4.9 GHz的相对带宽达到67%。图6给出了天线轴比仿真结果。可以看出，该天线的3 dB轴比带宽范围从4 GHz到6.4 GHz，相对于中心频率5.2 GHz的相对带宽达到了46%。

图5 天线电压驻波比曲线

图6 天线轴比曲线

图7为天线在4 GHz、5 GHz和6 GHz 3个频点处的辐射方向图。从不同切面(图1中所示坐标系下的X-Z和Y-Z面)的方向图可以看出天线具有良好的圆极化辐射性能。

图7 天线的辐射方向图

图8给出了4～6.4 GHz范围内天线最大增益曲线。从图中可以看出，天线具有大于等于4.6 dBic的增益，带宽内波动在0.7 dB以内。

图8 天线的增益曲线

3 结束语

本文设计了一种基于阿基米德螺旋缝隙的宽带圆极化天线。从优化后的结果可以看出3 dB轴比带宽达到了46%(4～6.4 GHz)，阻抗带宽达到了67% (3.2～6.5 GHz)，而且最大增益也达到了4.5 dBic以上(4～6.4 GHz)。因此，该天线具备带宽特性以及良好的圆极化辐射方向图和增益，可以满足圆极化无线通信系统对宽频带的需求。