一種CPW饋電的寬帶圓極化縫隙天線(xiàn)

1 引言

圓極化技術(shù)作為天線(xiàn)理論和應用的一個(gè)重要分支，在通信及電子對抗等領(lǐng)域中得到廣泛應用。目前的圓極化天線(xiàn)主要以微帶天線(xiàn)為主，但微帶天線(xiàn)由于近似處理較多，所以設計的準確性并不太好，另外微帶天線(xiàn)的頻帶也較窄，普通的單饋電圓極化微帶天線(xiàn)帶寬一般不足3%，同時(shí)介質(zhì)基片的離散性也會(huì )影響到諧振頻率的準確性。共面波導(CPW)饋電的平面天線(xiàn)由于其輻射單元和饋電單元在同一平面內，易于和有源器件集成從而形成多種饋電方式，近年來(lái)受到了較多的關(guān)注，但是大部分圓極化寬帶天線(xiàn)是用微帶線(xiàn)饋電，關(guān)于CPW饋電的圓極化平面天線(xiàn)的報道較少見(jiàn)。

2 天線(xiàn)設計

天線(xiàn)的結構如圖1所示，在厚度為h，介電常數為ε，邊長(cháng)為G的正方形介質(zhì)板上開(kāi)了一個(gè)邊長(cháng)為L(cháng)的正方形縫隙，縫隙中引出兩個(gè)連接的橢圓形金屬片。該天線(xiàn)用50Ω的CPW饋電，CPW激勵長(cháng)度為L(cháng)3，寬度為Wf，伸出激勵帶條長(cháng)度為L(cháng)2，寬度為基板選用h=0.8mm，ε=4.6的介質(zhì)材料，邊長(cháng)G=60mm，Wf=3.1mm，g=0.3mm。

圖1 天線(xiàn)結構圖

采用HFSS軟件對橢圓金屬片的位置及尺寸進(jìn)行參數分析，優(yōu)化設計出該天線(xiàn)的最佳結構尺寸。最終得出的結構參數為L(cháng)=40mm，L1=17.5 mm，L2=23mm，L3=5mm，兩個(gè)主半徑為10mm，比率0.25的橢圓金屬片相連接，置于正方形縫隙對角線(xiàn)的上部。

3 仿真和實(shí)測結果

圖2給出了該天線(xiàn)軸比的實(shí)測結果和HFSS仿真結果的比較。實(shí)測的3dB軸比頻帶為2.32-2.57GHz，相對帶寬達到了10.4%。圖3給出了天線(xiàn)S參數隨頻率變化的曲線(xiàn)，回波損耗-10dB的頻帶為2.38-2.76GHz，達到了15.5%，由此可見(jiàn)，天線(xiàn)具有很寬的阻抗和軸比帶寬。

圖4給出了天線(xiàn)的增益仿真曲線(xiàn)。由圖可知，天線(xiàn)在1.5-3.0GHz之間，增益變化均1dB，具有很寬的1dB增益帶寬。而在3dB軸比帶寬內（2.32-2.57GHz），天線(xiàn)的增益均處于2dB到3dB之間。

圖2 天線(xiàn)的軸比實(shí)測結果和仿真結果

圖3 天線(xiàn)的回波損耗仿真結果

圖4 天線(xiàn)的增益仿真結果

圖5（a）、（b）、圖6（a）、（b）和圖7（a）、（b）分別給出了在2.32GHz、2.45GHz和2.57GHz時(shí)，天線(xiàn)在x-z，y-z面的方向圖。

(a) x-z plane

(b) y-z plane

圖5 天線(xiàn)在2.32GHz的方向圖

(a) x-z plane

(b) y-z plane

圖6 天線(xiàn)在2.45GHz的方向圖

（a）x-z plane

(b) y-z plane

圖7 天線(xiàn)在2.57GHz的方向圖

本文所給出的圓極化天線(xiàn)輻射的是左旋圓極化波，要實(shí)現右旋圓極化，只需將橢圓金屬片放置于相反方向的對角線(xiàn)上方即可?？梢?jiàn)，該天線(xiàn)能夠方便的實(shí)現左、右旋圓極化。

4 結論

本文給出了一種由CPW饋電的寬帶圓極化縫隙天線(xiàn)的設計方法。通過(guò)兩個(gè)連接的橢圓形貼片，激勵出一對相位差90º的正交簡(jiǎn)并模，進(jìn)而實(shí)現圓極化特性。同時(shí)，只需將貼片置于矩形縫隙的另一對角上，即可方便的改變圓極化的旋向。該天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單，測試結果表明具有10.4%的軸比帶寬，在該頻段內，天線(xiàn)的增益變化小于1dB，所以該天線(xiàn)具有良好的圓極化特性。