双频双圆极化槽天线设计

浦同争， 宗 容， 陈 哲， 邓 郁， 刘军奇

(1.国家移民管理局常备力量第二总队,昆明 650214；2.云南大学 信息学院,昆明 650091)

相较于线极化天线，圆极化天线在空间位置取向上自由度更大，且能探测到更多极化类型的无线电波，因此在卫星导航、射频识别、雷达、遥感遥测、电子侦查和对抗等领域得到了广泛的应用[1-2]。可实现圆极化的基本辐射单元结构有圆[3]、圆环[4]、螺旋[5]、多边形[6]、圆柱[7]等，可选的馈电机制则有单馈和多馈2种。单馈法必须引入结构微扰，依靠分离简并模式达成圆极化目标；多馈法则利用正交信号来激励起圆极化波[8]。

随着无线技术的发展，小型化和宽带化成为当前圆极化天线设计的发展方向。通过将不同工作频段的圆极化辐射单元制作在同一PCB板上，可实现结构紧凑的低剖面多频带圆极化天线，这已经引起了研究人员的关注[9-11]。

考虑到槽天线在工作带宽、阻抗损耗、结构鲁棒性等方面的性能通常都优于贴片天线，采用槽线设计了一种双频圆极化天线。该天线由一个十字形槽嵌套一个圆环形槽而成。其中，圆环形槽上加载了一对简并分离单元，以实现圆极化；而构成十字形槽的2条槽线长度不一致，以便得到圆极化波。该天线结构简单紧凑，容易加工制作，且设计参数丰富，可方便地在任意无线电频段实现圆极化设计。

1 天线的设计

1.1 天线结构

天线结构如图1所示，十字形槽蚀刻在PCB板正面，它的2条矩形槽线分别长la和lb，槽宽为s1；圆环形槽包围着十字形槽，它的半径为r，槽宽为s2；圆环形槽上加载了一对凹槽，宽度为ws，深度为ds，它们对称分布在与馈电位置成45°夹角的直线上；馈电电路制作在PCB板的背面，它由50 Ω微带线和四分之一波长阻抗变换器组成，其中50 Ω微带线的宽度为wm，阻抗变换器的宽度和长度分别为wc和lc；PCB板的厚度为h，材料的相对介电常数为εr。

图1 天线结构示意图

天线在低频段的工作频率fL由圆环形槽决定，其波长近似等于圆环形槽的周长，即λL=2πr′。λL表示低频段的工作波长；r′表示环形槽的等效半径，它与r、ws和ds有关，这为优化天线性能提供了相当多的调节自由度。假设低频为fL=2.4 GHz，且采用厚度为h=2 mm的F4BK300板，其相对介电常数是εr=3，槽线宽度取sa=sb=1 mm，则λL可使用如式(1)计算[19]

(1)

其中λ0为自由空间波长。

实际上，圆环形槽是典型的谐振结构，不能直接用来生成圆极化波。为解决这个问题，在圆环上进一步蚀刻出一对凹槽。通过引入这样的结构微扰，使圆环的简并模式得以分离，并在模式间形成90°的相位差，从而能够辐射圆极化波束。

天线在高频段的工作频率fH由十字形槽决定。对于矩形槽线而言，当槽线的长度取半波导波长时，可获得基模的工作状态。由于la≠lb，所以各自的基模频率也不相等，即fa≠fb。当Δl=|la-lb|很小时，Δf=|fa-fb|也很小。通过优化设计，最终可得到中心频率为fH≈|fa-fb|/2的圆极化工作带宽。因此，在槽宽s1确定的情况下，十字形槽的工作频率fH取决于la和lb。

1.2 阻抗匹配

由于天线要在2个不同的频段同时实现圆极化，因此阻抗匹配网路的设计非常重要。借助商用电磁仿真软件HFSS，可对匹配网络进行计算和分析，通过不断的优化，得到能满足应用要求的设计参数。

当圆环形槽和十字形槽的结构确定时，影响阻抗匹配的主要参数为lc、wc和lt，下面分别研究它们的影响。天线的固定参数设置如下：εr=3，h=2 mm，sa=sb=1.3 mm，ws=ds=4.5 mm，r=16 mm，la=16 mm，lb=14.5 mm，wm=5 mm。

图2描述的是当lc=20 mm，lt=0 mm时，天线的输入阻抗随wc变化的情况。由图2可知，当wc依次取0.7 mm、1.2 mm、2 mm时，天线在fH附近的输入阻抗无显著变化，但在fL附近的输入阻抗从约55 Ω减小到40 Ω。根据优化计算的结果，当wc取0.97 mm时，天线的阻抗匹配效果最佳。

图3描述的是当wc=0.97 mm，lt=0 mm时，天线的输入阻抗与lc(lc分别取18 mm、19 mm和20 mm)之间的关系。显然，lc对fL和fH的输入阻抗都有明显的影响，而且难以得到能够兼顾这2个频段的lc值。因此，先考虑匹配fL，而fH则通过另一参数lt进行调整。根据计算，当lc取20 mm时，天线在低频fL附近的输入阻抗接近50 Ω。

由图4可知，当wc=0.97 mm，lc=20 mm时，天线的阻抗匹配状态与高频调节参数lt之间的关系。可以看到，lt的变化对fL频段的输入阻抗影响不明显，但对于fH频段的输入阻抗有明显的调节作用。具体而言，当lt分别取-2、0、2 mm时，对应的天线在fH频段中心频点6.19 GHz处的归一化输入阻抗分别为0.954 3-0.091 7j，0.714 9+0.199 3j，和0.456 7+0.142 8j。可见，lt为-2 mm时，天线的匹配性能最佳。

图2 天线在低频段fL和高频段fH的输入阻抗随wc变化的情况

图3 天线在低频段fL和高频段fH的输入阻抗随lc变化的情况

图4 天线在低频段fL和高频段fH的输入阻抗随lt变化的情况

综上，为了兼顾天线在fL频段和fH频段上的工作性能，可选择lc=20 mm，wc=0.97 mm和lt=-2 mm。

2 天线的性能

前文讨论了实现天线阻抗匹配的思路和步骤。实际上，其他参数也会在一定程度上影响天线的性能。例如，ws和ds的波动会影响低频fL段的轴比性能，并导致fL段中心频点的飘移；调整Δl=la-lb可以有效地优化天线在fH段的圆极化性能，并可重构圆极化的类型。这些都可以根据需要进行适当的微调，简洁起见，不再一一赘述。

如前所述，天线可同时在fL=2.4 GHz频段和fH=6.19 GHz频段实现圆极化。

图5为天线的回波损耗(S11)和电压驻波比(voltage standing-wave ratio,简称VSWR)曲线。由图5可知，天线在2.4 GHz频段和6.19 GHz频段的阻抗带宽(S11<-10 dB)分别为15.38%(368.4 MHz)和6.92%(421 MHz)。

图5 天线的回波损耗和电压驻波比

图6 天线的轴比性能

图7 天线在不同平面上的远场辐射图

图8 天线的三维远场辐射图

图6为该天线在主要辐射方向上的轴比性能，由图6可看出，天线在2.4 GHz频段和6.19 GHz频段的圆极化带宽(轴比<3 dB)分别为10.9%(263.2 MHz)和9.35%(579 MHz)。图7为天线在不同的φ平面上的远场辐射图。由图7可见，天线的主要辐射方向是z轴，即垂直于天线表面的方向。而且，在垂直方向上这一天线是双向辐射的，其在天线表面两侧的辐射大致相当，根据计算，天线的前后比约为1.103 8。在水平方向上，天线的辐射关于环形槽上的分离单元的连线对称，体现出类似于偶极子的特征，这一点可进一步从如图8所示的三维远场辐射图中观察得到。

根据计算，优化后的天线在2.4 GHz频段的最大增益为3.44 dBi，辐射效率为96.13%；在6.19 GHz频段的最高增益为6.36 dBi，辐射效率95.6%，可满足实际应用的要求。

3 结束语

设计并优化了一款双频带双圆极化天线，分别利用圆环形槽线和十字形槽线调控天线在2.4 GHz频段与6.19 GHz频段的性能。该天线在可重构性、阻抗匹配、带宽、驻波比、轴比、方向图等方面的性能优越，有望在射频识别、卫星定位系统和天线小型化等方面得到实际应用。为满足未来5G及5G+业务对超宽带和超小型化的需求，可考虑与超表面、石墨烯等新兴材料结合，进一步提升天线性能。