寬軸比帶寬L頻段圓極化貼片天線

0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)天線的性能要求也越來(lái)越高，在現(xiàn)代的無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)，普通的線極化天線已很難滿足人們的需求，圓極化天線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其主要的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)圓極化天線可接收任意極化的來(lái)波，且其輻射波也可由任意極化天線收到；
(2)圓極化天線具有旋向正交性；
(3)極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)，不同旋向的電磁波具有較大數(shù)值的極化隔離。
由于圓極化天線具有以上特點(diǎn)，因此，被廣泛使用在通信、雷達(dá)、電子偵察與電子干擾等各個(gè)方面。
圓極化微帶天線體積小、重量輕、剖面低，并且能與載體共形，除了在饋電點(diǎn)處要開出引線孔外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這對(duì)于高速飛行器特別有利。
圓極化天線的基本電參數(shù)是最大增益方向上的軸比，軸比不大于3 dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬。軸比決定天線的極化效率，同時(shí)表征天線極化純度的交叉極化鑒別率也可由軸比得出。因此如何表現(xiàn)出好的軸比特性，是圓極化天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
本文提出一種L頻段圓極化貼片天線的設(shè)計(jì)方案，仿真結(jié)果表明，該天線的軸比特性優(yōu)異，顯示了天線具有良好的性能。

1 設(shè)計(jì)方案
1．1 設(shè)計(jì)思想
為了改善輻射圓極化的性能，一般采用兩點(diǎn)式饋電方式，兩個(gè)饋電點(diǎn)在空間上呈90°角，使用相位差90°的同幅信號(hào)饋電。可是這種饋電方式所需的功分電路占用了額外空間，增加了插入損耗，從而降低了天線性能。采用單點(diǎn)饋電方式可以避免兩點(diǎn)饋電形式帶來(lái)的復(fù)雜電路要求和額外的插損。
本文提出一種單點(diǎn)饋電天線形式，該天線包含一個(gè)方形貼片，采用與貼片對(duì)角線平行的一條斜線饋電。在天線接地面上蝕刻十字交叉縫隙，通過調(diào)整兩縫隙的長(zhǎng)度及長(zhǎng)度差，可以使方形貼片出現(xiàn)兩個(gè)鄰近的正交模式頻率，并且兩頻率的中心頻點(diǎn)上兩種模式相位差為90°，這樣就能在中心頻率點(diǎn)上激勵(lì)圓極化場(chǎng)分布。
加縫隙可以實(shí)現(xiàn)圓極化、改善天線的耦合度和帶寬，但縫隙的雙向輻射同時(shí)也會(huì)增加反向散射，因此設(shè)計(jì)天線時(shí)縫隙的大小相當(dāng)關(guān)鍵。為了進(jìn)行阻抗匹配，縫隙就不能太??；而由于縫隙在接地面上會(huì)產(chǎn)生反向輻射，為了減少反向輻射，縫隙又不能太大。
1．2 設(shè)計(jì)參數(shù)
復(fù)合開槽貼片天線構(gòu)造如圖1和圖2所示。該天線包含兩個(gè)介質(zhì)基層，上層稱為天線層，下層稱為饋電層，兩層之間以空氣分割。兩個(gè)介質(zhì)層的介電系數(shù)分別為 ε1=3．3，ε2=2．17，高度h1=1．6 mm，h2=2．4 mm，兩層中間的空氣隔層高度h3=2．6 mm。設(shè)計(jì)饋電層上面的微帶饋電線使特征阻抗為50 Ω，微帶線與貼片對(duì)角線平行，伸過貼片中心的長(zhǎng)度Ls=16 mm。饋電層底面是中心蝕刻十字槽的金屬地，十字槽的長(zhǎng)度Lx1=32．6 mm，Lx2=20 mm，槽寬2．5 mm。天線層含有金屬貼片，貼片的長(zhǎng)度和寬度相同，即L=W=98 mm。

2 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果
天線軸比、天線回波損耗、天線輸入阻抗及天線增益隨頻率變化曲線如圖3～圖6所示。

從圖3可以看出，1．023～1．060 GHz軸比低于3 dB，即在中心頻率點(diǎn)1．04 GHz的3 dB軸比帶寬達(dá)到3．5％，中心頻率點(diǎn)軸比為1.16 dB，離中心頻率越遠(yuǎn)，軸比性能越差。從圖4可以看出，天線有兩個(gè)諧振點(diǎn)：1．03 GHz和1．05 GHz。諧振頻率與兩個(gè)方向上縫隙尺寸相關(guān)，彼此正交，因此，通過調(diào)整縫隙尺寸可以調(diào)整諧振頻率。在有效軸比帶寬的范圍內(nèi)，天線有高于18 dB的回波損耗。

從圖5可以看出，在有效帶寬范圍內(nèi)天線有較好的阻抗特性。圖6顯示天線增益在有效帶寬范圍內(nèi)介于5．68～6．24 dBi之間。如果需要獲得更大的天線增益，可以嘗試在貼片上覆蓋一個(gè)介質(zhì)層。

圖7和圖8顯示了天線的輻射方向圖，兩個(gè)輻射模式互相正交，垂直于天線面。φ=0°表示的是沿貼片寬度W方向及其側(cè)向的的輻射面，同樣φ=90°表示的是順貼片長(zhǎng)度L方向及其側(cè)向的的輻射面。
圖9是中心頻點(diǎn)上天線左旋圓極化增益方向圖，可以計(jì)算得出天線在中心頻率點(diǎn)上的前后瓣比大于20 dB。

3 結(jié)論
本文敘述的是一種仿真結(jié)果很好的單饋電圓極化天線。該天線的軸比帶寬達(dá)到3．5％，前后瓣比大于20 dB，具有很好的阻抗匹配特性(回波損耗大于18 dB)和增益特性(大于5．68 dBi)。為了獲得更高的天線增益，還可以在貼片上方覆蓋一個(gè)介質(zhì)層。仿真結(jié)果表明，該天線的尺寸不大，如在貼片表面開槽或細(xì)縫，可使天線更加小型化。