一种新型C波段宽带圆极化贴片天线的设计

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摘 要：采用电磁仿真计算软件HFSS设计并仿真了一种工作于C波段宽带圆极化微带贴片天线。天线采用双馈点对圆形微带贴片进行馈电，实现圆极化；选用两层聚四氟乙烯玻璃纤维板作为介质，通过底层馈电网络由探针穿过中间地板层对上层圆形贴片进行馈电，在探针周围用环形槽将探针与地板进行隔离，并增加了天线的谐振点，从而进一步扩展了天线频带。结果表明天线的相对带宽约为30%，并且E面、H面3 dB轴比角度均大于90°。

关键词：宽频带； 圆形贴片天线； 圆极化; 带宽

中图分类号：TN82-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)17-0095-03

Design of Broadband Circularly Polarized Patch Antenna Working at C Band

GAO Yao, WEI Gao

(College of Electronic Engineering， Northwestern Polytechnic University， Xi’an 710129， China)

Abstract： A broadband circularly polarized microstrip patch antenna working at C band was designed and simulated by HFSS software. The antenna used doubly-fed points to realize circular polarization, selected two-layer PTFE glass fiber board as medium, adopted the ground plane to isolate the feed network and the radiation patch for reducing the influence of feed network on the properties of antenna circular polarization. The experimental results show that the relative bandwidth of the antenna is about 30%, and the 3 dB axial ratio angles of E-plane and H-plane are more than 90 degree.

Keywords： broadband; circular patch antenna; circular polarization; band width

0 引 言

由于圆极化波的良好特性，在探测、卫星通讯等领域有着广泛的应用，所以圆极化天线受到广大工程师的青睐。而这些领域通常要求设备的小型化，以及与卫星、飞机等飞行器共形来减小对飞行器的空气动力学影响，微带天线则占有很重要的地位。微带天线具有低剖面、小体积、容易实现多频段等优点，但是它有其固有缺陷，即宽带比较窄，一般只有5%左右［1-2］。因此，展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。目前，随着圆极化微带天线的应用越来越广，对于如何设计圆极化微带天线已经形成了很多成熟的方法［2-4］。在贴片对称轴方向两端加载缝隙；在贴片中心加载缝隙；采用多层十字形缝隙耦合等。这些方法制作起来比较简单，容易加工，但是圆极化角度较小并且带宽较窄。

本文中的天线采用两层较薄的聚四氟乙烯介质，使单个圆形贴片的阻抗带宽在S波段内达到30%，满足了现代通信对天线带宽的要求。采用双馈电进行馈电使天线很容易实现圆极化，可以根据频率需要而设计天线尺寸。

1 微带天线的模型结构

微带贴片天线的模型结构如图1和图2所示，天线分为三层结构［3］，上层为圆形微带贴片天线，中间为地板，下层是正交混合网络的馈电网络，在两个馈电点形成90°的相位差。三层之间均用介电常数为2.65的聚四氟乙烯填充，如图1所示厚度分别为h1，h2。与传统的天线不同，该天线用地板层将馈电网络和辐射贴片隔离开，以减小馈电网络对天线圆极化性能的影响。这样就必须采用探针对天线进行馈电，在探针周围设计环形缝隙［5-6］，一是可以将馈电与地板隔离，二是与探针接触的半径为r1的圆片可以抵消探针引入的部分电感，从而达到展宽频带的作用。

这样就可以有效地优化天线馈电点处的阻抗，展宽其阻抗带宽。

在探针周围的地板上加载缝隙可以一定程度上影响天线的谐振特性，如果缝隙的谐振频率与贴片的谐振频率相差不远，天线的阻抗带宽则很有可能被展宽，常见的圆形贴片加载C形缝隙的形式就可以起到展宽天线带宽［9］的作用。本天线采用地板上加载环形缝隙，也可以实现这一点，下文将会就缝隙对天线阻抗特性的影响作出讨论。

3 微带天线的相关尺寸及谐振特性

采用式(1)计算出天线谐振频率在5.1 GHz时的圆形贴片半径为10.6 mm，调整为R=10 mm，经过仿真得出馈电点的位置d=3.4 mm，馈电探针圆盘的半径r1=1.2 mm，环形缝隙的宽度w=0.6 mm，两层介质均为h1=1 mm,h2=1 mm。

图3显示了单点馈电与两点馈电贴片天线的S11参数，由图3中可以看出：

(1) 采用单点馈电的圆形微带天线的谐振频率与设计目标较为符合，但是带宽很窄，S11曲线低于-10 dB的范围仅越为200 MHz;

(2) 采用分支线耦合器［10］两点馈电的微带贴片天线可使带宽增加至2.5 GHz。

如图4所示添加二极管进行控制，可以实现线极化和圆极化之间的切换。图中各尺寸如下：L1=5.8 mm,L2=10.7 mm,L3=11.8 mm,W1=2.8 mm,W2=2.7 mm,W3=4.9 mm。

3.1 地板上缝隙的半径对天线带宽的影响

地板加载环形缝隙可以直接补偿探针引出的电感，因此缝隙半径r1对天线的谐振特性有影响，如图5所示，r1由小变大时，第一谐振点(2.5 GHz)的位置会向右移动，且趋势会变快。

3.2 缝隙的宽度对天线带宽的影响

环形缝隙w的大小会影响天线的带宽，如图6可见w变大时，谐振点向右移动并且设计的中心频率附近的S11会下降。

4 微带天线的圆极化带宽和方向图

采用上文各个参数的尺寸，可以得到如图7所示的圆极化轴比。AR

图8显示的是天线在中心频率点5.1 GHz的φ=0°和φ=90°两个面的圆极化轴比，从图中可以看出φ=0°面圆极化角度大于100°，φ=90°面圆极化角度约为75°。

5 结 论

综上所述，针对传统单点馈电圆极化微带贴片天线带宽较窄的缺点，本文采用两点馈电。虽然正交混合网

络的带宽并不宽，但是用加载有缝隙的地板将馈电网络与辐射贴片隔离，并且缝隙可以补偿探针所引入的电感，大幅度增大了微带天线的带宽，使天线在C波段内相对带宽达到了30%。并且圆极化轴比具有较宽的频带特性，相对轴比带宽约为26%，其馈电方式可为工程设计提供有价值的参考。

参 考 文 献

［1］张钧,张克诚,张贤铎,等.微带天线理论与工程［M］.北京：国防工业出版社，1988.

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［10］LEE Cheng-Jung; Leong KMKH; ITOH T. Broadband quadrature hybrid design using metamaterial transmission line and its application in the broadband continuous phase shifter [C]// Microwave Symposium. Honolulu, HI: IEEE, 2007: 1745-1748.

作者简介：

高 尧 男，1986年出生，陕西西安人，硕士研究生。主要研究方向为电磁场与微波技术、应用微波技术。

韦 高 男，1963年出生，山东单县人，教授，博士生导师。主要研究领域为微波测量、微波通信、应用微波技术。