一种新型圆极化微带天线的分析与设计

1 引言

微带天线因其重量轻、体积小、易于集成等令人瞩目的特点在无线移动通信设计中得到了广泛的应用。通常将微带天线设计成线极化模式，由于圆极化天线可以接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线接收到，因此当前高性能的圆极化微带天线的应用越来越广泛。提到了关于实现圆极化的方法,但圆极化特性与带宽特性不是很理想。本文提出了一种新型实现圆极化的天线结构，通过在贴片的一个对边分别开槽得到圆极化并提高了带宽特性。

2 圆极化微带天线结构设计

通常单馈点天线实现圆极化不需要外加移相网络和功率分配器，结构简单，成本较低，因此被广泛应用于无线通信领域。本文设计了一种新型圆极化微带天线，实现了天线的宽带特性。微带天线一般可用腔模理论进行分析，对于普通没有开槽的正方形贴片，通常工作于TM₁₀模和TM₀₁模，它们是方形贴片的主模。天线在线极化工作时一般只需要激励其中一种模式，而圆极化微带天线工作时必须同时激励出两种模式，当馈电点位于对角线上时，可以同时激励出 TM₁₀模和TM₀₁模，因为结构对称，两种模式的电流分布完全相同，对应的两个正交极化场的幅度和相位也完全相同，所以合成的总场仍为线极化。而当在贴片上开一个X方向或Y方向的矩形槽后，贴片上TM₀₁模的表面电流分布将发生一些变化，而TM₁₀模的表面电流基本没有受影响，开槽后贴片表面电流分布如图1,TM₀₁模的表面电流路径增加, 对应谐振频率降低。此时TM₁₀模和TM₀₁模的谐振频率不同，变化幅度不同。通过调整槽的长度，使工作频点上TM₁₀ 和TM₀₁模的场幅度相同，相位相差90°则可以得到圆极化。

图1 TM₀₁模电流分布

利用如图2所示的方法来实现圆极化，在贴片一边上开槽，馈电点位于对角线上。这是一个左旋圆极化贴片天线。

图2 圆极化贴片天线

2 仿真模型与测试结果

本文设计了一种新型圆极化贴片天线,在原有模型上给贴片对边再开一个槽,仿真模型如图3所示。对此模型，我们采用软件Ansoft HFSS11 进行了仿真，经过优化后各参数为：L=28mm,h=2mm,er=2.65,Ls=4.9mm,Ws=1. 5mm,Xf=Yf=4.75mm，两个缝隙分别开在贴片两边沿的1/4与3/4处。

图3 新型圆极化天线仿真模型

如图4为这种新型天线的实物图。图5为反射系数曲线，从图中可以看出实测结果略优于仿真结果，两个结果基本吻合。实测结果显示在S₁₁<-10dB时天线的带宽大于160MHz，实现了很好的宽带特性。作者这是因为此结构使得电流流向更加曲折，从而展宽了一定带宽。图6为天线的轴比曲线，结果显示轴比小于-3dB的带宽约为30MHz。图7为天线的E面方向图。从图可以看出交叉极化小于-15dB。

图4 天线实物图

图5 反射系数曲线

图6 轴比曲线

4 结论

本文提出了一种新型开槽微带贴片天线，通过在贴片两边分别开槽实现圆极化功能。文中给出了天线的仿真和实测结果，结果表明这种天线可以实现较好的圆极化特性。

图7 天线E面方向图