多频段宽带圆极化天线的研究与设计

韩国瑞，柳 青，毛 冲，裴立力

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

微带天线由于其易加工、重量较轻等优点，被广泛应用于卫星通信、无线通信等领域.而圆极化天线能抑制外来波的干扰，减轻多径传播效应，消除极化畸变，因此被广泛应用在无线通信领域.文献[1]中主要研究了如何用微带贴片天线产生圆极化波，其关键是产生两个极化方向正交、幅度相等且相位相差90°的线极化波.例如一个单点馈电的矩形微带贴片会产生幅度相等且极化正交的两个简并模，但其相位差并不是90°，而对矩形贴片的两个对角进行切角后，两个简并模在工作频率上的相角就会产生偏移,当相位一个超前45°一个滞后45°时就实现了圆极化波；文献[2]中提出了一种新型的小型双频圆极化贴片天线，通过开槽实现了圆极化，其工作在 2.45 GHz 和5.04 GHz,其工作带宽分别为1.26%，0.92%,各频段内的峰值增益分别为1.25 dBi和1.32 dBi;文献[3]中设计了一种宽带圆极化的交叉偶极子天线，天线由两个3/4圆环插入到两组正交的偶极子天线之间来实现圆极化，其阻抗带宽为 1.5～5.2 GHz，3 dB 轴比带宽为1.67～3.77 GHz，增益最高可达到7.2 dBi，实现了宽频圆极化的特性.

多频圆极化天线可以综合圆极化特性和多频段特性，被广泛地应用于多个方面.为了实现多频段，可以通过将多个贴片堆叠放置来实现.堆叠形圆极化天线具有集成方便、有效利用孔径面积、低旁瓣等优点[4-6].在文献[7]中采用堆叠的LTCC结构设计了一种双频圆极化宽波束天线，阻抗带宽为36 MHz，3 dB波束宽度为-89°～89°；文献[8]中设计了一种双频带切角形的圆极化天线，应用在Argos-3中，其相对带宽为3.46% 和4.54%；文献[9]采用堆叠的形式来实现宽频模式，天线中心频率为2.05 GHz，相对带宽为16%，相对轴比带宽为8%；文献[10]中，天线采取在环形贴片上切角的形式产生圆极化，天线轴比带宽较好，增益可达到 7.5 dBi 左右；为了得到更好的天线模型，文献[11]中采用频率选择表面来改善反射系数.

本文设计了一种3频段切角形宽带圆极化天线.天线由3层贴片堆叠形成，馈电采用同轴探针馈电，每层贴片采用切去其贴片右对角线的切角来产生圆极化波，下层贴片和中层贴片通过蚀刻矩形缝隙来提高天线阻抗带宽和轴比带宽.这种结构的天线具有剖面低、结构简单、阻抗带宽和轴比带宽较宽的特点.

1 天线基本结构

本文设计的天线结构如图1 所示.

图1 天线结构图Fig.1 Geometry of antenna

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=0.4 mm,h3=1.6 mm.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 2.1 GHz,2.4 GHz,3.5 GHz 3个频段.天线上层贴片馈电采用50 Ω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.

表1 天线各部分的尺寸Tab.1 The values of antenna

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0.5 mm，1 mm和1.5 mm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0.5 mm时，天线在3.48 GHz处阻抗带宽最大，故选择c3为0.5 mm.

图2 天线参数c3对天线S11的影响Fig.2 The S11 with different c3

图3 分析了中层贴片蚀刻的矩形缝隙的长度c4为9 mm，10 mm和11 mm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=10 mm时，天线在2.05 GHz和 2.45 GHz 处反射系数最大，说明天线传输性能此时最好，故选择c4为10 mm.

图3 天线参数c4对天线S11的影响Fig.3 The S11 with different c4

图4 天线参数b3对天线S11的影响Fig.4 The S11 with different b3

图4 分析了下层贴片蚀刻的方形缝隙的长宽尺度b3为7 mm,8 mm和9 mm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=8 mm时在2.45 GHz处反射系数最大，且在2.05 GHz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8 mm.

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2～2.08 GHz，2.38～2.49 GHz 和3.4～3.48 GHz，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2.05 GHz 的情况下，相对带宽为0.9%；当工作频率为2.45 GHz时，相对带宽为1.6%；当工作频率为3.48 GHz时，相对带宽为2.8%.即工作频率为2.05 GHz时，相对带宽为原来的4.2倍；工作频率为2.45 GHz时，相对带宽为原来的2.8倍；工作频率为3.48 GHz时，相对带宽为原来的1.8倍.

图5 蚀刻缝隙前后S11图Fig.5 S11 with and without the gaps

图6 为3个频率段上的中心频率点2.05 GHz，2.45 GHz,3.48 GHz的辐射方向图.可以看出，天线的定向辐射性较强.天线在Z轴正向具有良好的左旋圆极化性能，对应的在Z轴负向，即天线的背部具有良好的右旋圆极化性能.

天线的辐射轴比如图7 所示.天线最小轴比为 0.9 dB，在2.05 GHz处取到.由于切角形贴片产生圆极化的方法，其 3 dB 轴比带宽都很窄，在2.05 GHz,2.45 GHz,3.48 GHz频率上产生的轴比相对带宽为1.0%，0.58%，0.91%.

图6 天线辐射图Fig.6 Radiation patterns of the antenna

图7 天线轴比图Fig.7 AR of the antenna

4 结 论

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 2.05 GHz,2.45 GHz,3.48 GHz，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.