采用L 型馈电结构的宽带圆极化微带天线

卢佳妮，丁付兵，司贵宝，韩荣苍，孙如英

（临沂大学 物理与电子工程学院，山东 临沂 276000）

1 研究背景及意义

无线通信技术快速发展，各种通信制式应运而生，在无线终端设备上常常需要支持不同的通信协议。为降低硬件成本，能够兼容多个工作频段的宽带天线很受青睐。在电磁干扰中为同时执行雷达、电子战和通信的电子功能，要求天线能够覆盖各种无线电频段。因此，设计宽频带圆极化微带天线具有重要的意义。圆极化（Circular-Polarization，CP）波在无线通信中也比线极化波更有优势[1]。首先，圆极化波可由任意极化天线接收；其次，圆极化波入射到对称目标上极化旋向发生逆转，因此在无线通信、卫星导航时能抑制雨雾干扰，并且具有更好的抗多径反射[1]性能。所以，在无线通信系统中宽频带圆极化天线往往更受关注。

对于圆极化微带天线，实现宽频带的天线结构基本上分为3 种：宽缝隙结构[2-3]、单极子结构[4-5]和贴片结构[6-7]。后2 种结构属于双向辐射天线，天线增益受到结构的先天限制，不易实现高增益。本文采用单向辐射的贴片结构。在这类天线中实现圆极化的方案基本分为2 类，一类是单点馈电型，一类是多点馈电型[8]。单点馈电型圆极化微带贴片天线的馈电网络往往比较简单，要实现宽带工作特性，一般采用多层堆叠结构。但这类天线的结构参数较多，贴片的层数、尺寸和各层介质的厚度都是影响天线性能的关键指标，设计复杂度高。对于多点馈电型圆极化微带天线，馈电网络往往采用正交耦合器，容易实现宽频带设计。本文采用的馈电网络采用威尔金森功分器，其带宽接近100%，完全满足一般宽带功率分配的需要；但是常规的差分线移相器带宽受限于均匀传输线对频率的依赖性，一般在10%左右，与威尔金森功分器的带宽很不匹配。

本文的主要创新点是设计了一款宽带移相器，并与功率分配器相级联构成了一套宽带正交耦合器。在馈电机制上，采用L 型馈电结构。这种结构引入容性耦合馈电机制，克服了传统的探针馈电结构感抗过大的缺陷，实现了良好的阻抗匹配。研究结果表明，该天线的阻抗带宽达到41.3%，轴比带宽达到了41%。

2 天线的结构

提出的圆极化宽带微带天线的几何结构如图1 所示，（a）为俯视图，（b）为侧视图。该天线使用了三层高频介质板，具体结构如下：馈电网络位于最下层介质板上，其长×宽＝75×75 mm2，两输出端口分别在正交的位置连接一套L 型馈电结构，馈电结构的水平部分放置在第二层介质板上，正方形辐射贴片置于顶层介质板上。第一、二层介质基板采用F4B-2 型高频介质板，其相对介电常数εr＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.003，厚度均为1 mm。顶层采用FR-4 型介质板，其相对介电常数εr＝4.4，损耗角正切tanδ＝0.02，厚度t3＝0.8 mm。介质板之间的距离分别为h1＝8 mm，h2＝4 mm。

图1 天线几何结构图

天线的馈电网络由两部分构成，一是采用1/4 波长传输线作为匹配器的威尔金森功分器，一是一个宽带差分移相器。移相器的主通路是一个H 型多模谐振器，其两端并联有一对1/8 波长开路线和一对1/8 波长短路线，中间是一条半波长均匀传输线。该移相器在55%的工作带宽（S11＜-15 dB）内能够实现90°移相[2]，相位偏差仅3°。

3 实验结果与分析

采用ANSYS HFSS15.0 对天线进行了全波仿真和优化，仿真优化后的天线各参数的值见表1。衡量天线的主要技术指标呈现如下。在阻抗匹配方面，反射系数S11的仿真结果如图2 所示，在2.45～3.69 GHz 范围内，S11的值均小于-10 dB，阻抗带宽达到41.3%。

图2 S11 随频率的变化关系

表1 天线各参数的尺寸 单位：mm

如图3 所示，该天线实现了较宽的圆极化轴比带宽，从2.46 GHz 到3.69 GHz 频段内的3 dB 的轴比带宽为41%，体现了较良好的圆极化辐射特性。天线增益随频率的变化关系如图4 所示，增益＞3 dBi 覆盖频段大于阻抗匹配和轴比带宽，具有典型的高增益天线特征，该天线在通带内的最大增益达到了7.96 dBi（3.05 GHz）。

图3 天线的轴比随频率的变化关系

图4 天线增益随频率的变化关系

天线在中心频率3.0 GHz 的辐射方向图的仿真结果如图5 所示。图中分别画出了天线在两个正交面xoz与yoz 面方向图。结果显示该天线在+z 方向上辐射LHCP（左旋圆极化）波，高于其交叉极化RHCP（右旋圆极化）波20 dB 以上。

图5 3.0 GHz 处天线的辐射方向图

为了考察天线辐射场的宽带特性，我们给出了2.5 GHz 和3.6 GHz 处辐射方向图，分别如图6 和图7 所示，其在主辐射方向上均保持较好的圆极化辐射特性。

图6 2.5 GHz 处天线的辐射方向图

图7 3.6 GHz 处天线的辐射方向图

4 结论

本文设计的左旋圆极化微带天线，其工作带宽覆盖2.46 GHz 至3.69 GHz 频段，综合阻抗匹配、轴比特性和增益等主要指标，其相对带宽超过40%，在宽带无线通信系统具有很大的工程应用价值。