缝隙加载圆极化微带天线特性研究

1、引言

为顺应现代通信、雷达、定位、电子对抗等领域对天线小型化的迫切需求，使天线与设备大小协调，小型化高性能微带天线的研究和开发日益成为国内外研究的热点。很多小型化、高增益、宽带宽的微带天已被提出。其中，在贴片表面加载槽缝的微带天线以其简单易行以及形式变化多样倍受研究者的青睐。当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时,切断了原先的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄,它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。从而加大了天线有效辐射部分的相对电尺寸。

但是缝隙的尺寸(长、宽)和加载位置对天线性能的影响是十分复杂的。一般来说，缝隙越长或越宽可使谐振频率点越低，即贴片尺寸就越小。而与此同时，天线的其他性能也受到影响，这主要体现在带宽变窄、增益降低、阻抗与圆极化性能调谐困难等，需要折衷协调，或附加其他改进办法。

2、天线设计与数值结果

天线结构如图1所示，在贴片周边开四个长度相等的槽，中心槽则为获得圆极化而设[2]。采用正方形贴片和介质基片，介质介电常数为9.9，边长35mm，用同轴线馈电于贴片对角线上。这里采用CST Microwave Studio软件对该天线进行三维全波分析。从数值结果可看出，贴片边长L(12.7mm)与缝宽Ws (1mm)不变，随着槽长Ls由4mm增加到8mm，天线的谐振频率降低了10.6%。增益由2.5dB下降至2.4dB，3dB波瓣宽度由180°逐渐减小为112°，轴比小于3dB。见表1与图2。

(a)俯视图 (b)侧视图

图1 圆极化缝隙加载微带天线仿真模型

表1 槽长对天线辐射的影响

槽长Ls/mm槽宽Ws

/mm贴片

边长

L/mm增益

/dB谐振频率/GHzVSWR

4125.42.51.6451.15

6125.42.461.5751.1

7125.42.431.5221.73

8125.42.41.4721.59

(a)不同缝长的回波损耗比

(b) 不同缝长的增益比较

图2 不同缝隙长度的天线仿真结果

若槽长保持不变只增加缝宽，当槽宽由2mm增至5mm，谐振频率降低6%。3dB波瓣宽度降为95.4°，仿真结果如图3所示。

由于输入阻抗增大，仿真过程中，需要调整馈电点位置以达到匹配。此时，输入阻抗、谐振频率和圆极化性能调谐困难。所以槽宽不宜过大。

表2 槽宽对天线辐射的影响

槽长

Ls/mm槽宽

Ws

/mm贴片

边长

L/mm馈点横坐标/mm谐振

频率

/GHzVSWR

5.76225.41.91.5761.11

5.76425.41.81.5291.21

5.76525.41.41.511.22

(a)不同缝宽的回波损耗比较

(b)不同缝宽的增益比较

图3 不同缝隙宽度的天线仿真结果

折衷考虑了贴片大小和槽缝尺寸之后，重新确定贴片和缝隙的尺寸，这时可使天线尺寸减小20%，加缝天线与普通贴片尺寸对比见图4所示。其中，未开槽与开槽微带天线模型的基片边长分别为35mm和28mm。开槽贴片边长24.2mm，缝长8.2mm，宽2mm。未开槽贴片边长30.2mm。天线均谐振于1.57542GHz。

两种天线的增益仿真结果见图5，由图可知，开槽后天线的最大增益只降低了0.1dB，而3dB波瓣宽度由180°降为125°。

(a)普通切角 (b)直缝

图4 开槽微带天线与普通切角天线的尺寸对比

(a)普通切角天线

(b)开槽天线

图5 两种天线的增益仿真结果

图6所示为另外三种缝隙微带天线天线[3]。其介质基片介电常数均为9.9，边长35mm。(a)天线贴片边长28.7mm，缝长9mm,宽1.84mm，切角实现圆极化，仿真结果显示与无缝贴片天线相比可减小贴片尺寸22%;(b)天线贴片长26.5mm，宽25.1mm，缝宽1mm，可减小尺寸33%。(c)天线边长25.77mm，缝宽1.84mm，在缝的末端加有小切角使圆极化性能更易调谐。减小尺寸38%。图6为三种天线的反射损耗仿真结果。其中，天线(b)(c)的槽缝位置对尺寸的减小很关键，槽应加在使缝足够长又满足输入阻抗满足匹配要求的位置。

(a)斜缝 (b)T形缝 (c)L形缝

图6 三种不同缝形微带天线仿真模型

图7 三种不同缝隙微带天线回波损耗仿真结果比较

3、结论

随槽的长度增加，天线谐振频率降低，对应天线尺寸减小，但天线尺寸的过分缩减会引起性能的劣化，其中带宽与增益尤为明显。因此开槽需在小型化与性能之间折衷考虑。普通材料的开槽天线圆极化带宽一般不足1%，导致谐振频率和圆极化性能的调谐困难，实际应用中需采取措施进行频带扩展。天线馈点由贴片边缘至中心移动，对应输入电阻降低(近似 函数关系)，电抗变化很小，谐振频率略有浮动(<1.2%)。缝宽对阻抗影响较大，一般不宜取值过大。虽然用于实现圆极化的中心槽尺寸不大，对天线频率影响较小，但不同尺寸下的中心槽长宽比例不好掌握，比较之下用切角更易获得圆极化。利用切角或中心槽进行模式简并，将切角或馈电点改向其对称位置或将中心槽长宽对调，可实现左或右旋圆极化。