一種新型圓極化微帶天線的分析與設計

微帶天線因其重量輕、體積小、易于集成等令人矚目的特點在無線移動通信設計中得到了廣泛的應用。通常將微帶天線設計成線極化模式，由于圓極化天線可以接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線接收到，因此當前高性能的圓極化微帶天線的應用越來越廣泛。提到了關(guān)于實現(xiàn)圓極化的方法,但圓極化特性與帶寬特性不是很理想。本文提出了一種新型實現(xiàn)圓極化的天線結(jié)構(gòu)，通過在貼片的一個對邊分別開槽得到圓極化并提高了帶寬特性。

2 圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)設計

通常單饋點天線實現(xiàn)圓極化不需要外加移相網(wǎng)絡和功率分配器，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，因此被廣泛應用于無線通信領(lǐng)域。本文設計了一種新型圓極化微帶天線，實現(xiàn)了天線的寬帶特性。微帶天線一般可用腔模理論進行分析，對于普通沒有開槽的正方形貼片，通常工作于TM₁₀模和TM₀₁模，它們是方形貼片的主模。天線在線極化工作時一般只需要激勵其中一種模式，而圓極化微帶天線工作時必須同時激勵出兩種模式，當饋電點位于對角線上時，可以同時激勵出 TM₁₀模和TM₀₁模，因為結(jié)構(gòu)對稱，兩種模式的電流分布完全相同，對應的兩個正交極化場的幅度和相位也完全相同，所以合成的總場仍為線極化。而當在貼片上開一個X方向或Y方向的矩形槽后，貼片上TM₀₁模的表面電流分布將發(fā)生一些變化，而TM₁₀模的表面電流基本沒有受影響，開槽后貼片表面電流分布如圖1,TM₀₁模的表面電流路徑增加, 對應諧振頻率降低。此時TM₁₀模和TM₀₁模的諧振頻率不同，變化幅度不同。通過調(diào)整槽的長度，使工作頻點上TM₁₀ 和TM₀₁模的場幅度相同，相位相差90°則可以得到圓極化。

圖1 TM₀₁模電流分布

利用如圖2所示的方法來實現(xiàn)圓極化，在貼片一邊上開槽，饋電點位于對角線上。這是一個左旋圓極化貼片天線。

圖2 圓極化貼片天線

2 仿真模型與測試結(jié)果

本文設計了一種新型圓極化貼片天線,在原有模型上給貼片對邊再開一個槽,仿真模型如圖3所示。對此模型，我們采用軟件Ansoft HFSS11 進行了仿真，經(jīng)過優(yōu)化后各參數(shù)為：L=28mm,h=2mm,er=2.65,Ls=4.9mm,Ws=1. 5mm,Xf=Yf=4.75mm，兩個縫隙分別開在貼片兩邊沿的1/4與3/4處。

圖3 新型圓極化天線仿真模型

如圖4為這種新型天線的實物圖。圖5為反射系數(shù)曲線，從圖中可以看出實測結(jié)果略優(yōu)于仿真結(jié)果，兩個結(jié)果基本吻合。實測結(jié)果顯示在S₁₁-10dB時天線的帶寬大于160MHz，實現(xiàn)了很好的寬帶特性。作者這是因為此結(jié)構(gòu)使得電流流向更加曲折，從而展寬了一定帶寬。圖6為天線的軸比曲線，結(jié)果顯示軸比小于-3dB的帶寬約為30MHz。圖7為天線的E面方向圖。從圖可以看出交叉極化小于-15dB。

圖4 天線實物圖

圖5 反射系數(shù)曲線

圖6 軸比曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種新型開槽微帶貼片天線，通過在貼片兩邊分別開槽實現(xiàn)圓極化功能。文中給出了天線的仿真和實測結(jié)果，結(jié)果表明這種天線可以實現(xiàn)較好的圓極化特性。

圖7 天線E面方向圖