一种低剖面宽带圆极化微带天线

1 引言

微带天线由于其低成本、低轮廓、小体积、易于集成和共形，以及能方便地实现线极化和圆极化等优点在各种通信系统中得到了广泛的应用。单馈点圆极化微带天线由于其简洁、紧凑的结构，得到了研究人员的广泛关注，但其设计难度远远超过线极化微带天线和多馈点圆极化微带天线。常见的单馈点圆极化微带天线形式主要有开槽贴片、方形切角贴片、准方形贴片和圆形贴片。由于它们的轴比带宽较窄，一般不足3%，严重制约了单馈点圆极化微带天线的应用。为了展宽微带天线的带宽，人们常采用层叠型微带结构。该结构上下两层辐射单元分别对应两个谐振频率，通过调节辐射贴片的尺寸和上下间距使两个谐振带宽紧贴，从而形成双峰谐振，很好的拓展了微带天线的带宽。采用准方形的层叠结构，均获得了13％以上的轴比带宽；Kwok Lun Chung等人采用微带线边馈的层叠方形切角贴片结构，获得了8%的3dB轴比带宽；采用探针底馈式馈电的层叠方形切角贴片天线获得了12.7％的3dB轴比带宽。

本文在方形切角贴片可实现不同旋向圆极化的两个馈点位置都加上端口，一个端口馈电，另一端口附加匹配阻抗。通过馈电端口实现相应圆极化的工作方式，另一端口的阻抗匹配则起到了降低剖面高度的作用。另外，本文天线采用由两层方形切角微带贴片层叠放置的结构，形成双峰谐振回路得到了较宽的轴比带宽。

2 天线模型及参数设计

天线结构如图1所示，由两层方形切角贴片、空气层和接地板构成。下层介质：介电常数ε_r1，损耗角正切tgδ₁，厚度t₁ ；上层介质：介电常数ε_r2，损耗角正切tgδ₂，厚度t₂ ；空气层厚度为h。

图1 天线结构

图2给出了天线的俯视图并给出贴片的尺寸参数，描述为：下层贴片边长p₁，切角深度q₁；上层贴片边长p₂，切角深度q₂；两馈电点位置均位于下层贴片的中心线上，馈电端口位于沿x方向的中心线上，距离右边缘d₁；匹配负载位于沿y方向的中心线上,距离下层贴片的下边缘d₂。

图2 天线俯视图及尺寸参数

天线下层采用t₁ = 3mm、ε_r1 = 4.4、tgδ₁ = 0.02的FR-4基片；上层采用t₂ = 1.5mm、ε_r2 = 2.55、tgδ₂ = 0.0011的聚四氟乙烯基片。上下层贴片的初始边长取为：p₁＝42.6mm，p₂＝71.4mm。上下两方形贴片的微绕量q₁和q₂的计算。采用HFSS软件对p₁、p₂、q₁、q₂、d₁、d₂、h等参量反复调节，以获取最宽的轴比带宽。

3 仿真和实测结果

本文天线的实测和仿真驻波曲线如图2所示。天线实测阻抗带宽（VSWR<2）为1.55GHz ～2.01GHz，约为25.8％的相对带宽，实测驻波比较仿真驻波比略向高端偏移，但曲线较一致。

图2天线的实测和仿真驻波曲线图

图3给出了天线的仿真轴比曲线图，其仿真的AR<3频带范围在1.652～1.98GHz，相对带宽约为18％。图4给出天线的增益曲线图，其实测值和仿真值较一致。由图4可知，该天线在低端的增益较小，高端增益较高，在1.96GHz时最高增益约为7.7dB。

图3 天线仿真轴比曲线图

图4 天线实测和仿真增益曲线图

图5给出了天线在1.8GHz时x-z面和y-z面上的LHCP和RHCP分量方向图。

(a) x-z面方向图

(b) ) y-z面方向图

图5 左旋圆极化时天线在1.8GHz的仿真方向图

本文设计的天线在实现圆极化特性时，无论从实现原理和功能上都与宽带圆极化微带天线类似。但由于匹配负载的引入使得本文天线的带宽达到了18％；另外，本文天线具有较低的剖面，本文中天线的中心频率差不多，而剖面高度之比为0.64：1，粗略折算到同一谐振频率上，本文形式天线剖面高度是中天线的68％。

4 结论

本文给出了一种具有较低剖面的圆极化宽带微带天线。通过层叠型结构的双层方形切角贴片，实现了具有较宽轴比带宽的圆极化微带天线，其3dB轴比带宽达到18%；通过附加匹配负载，该天线获得了较低的剖面高度，约为天线的68％。