一種新型圓極化微帶天線(xiàn)的分析與設計

微帶天線(xiàn)因其重量輕、體積小、易于集成等令人矚目的特點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信設計中得到了廣泛的應用。通常將微帶天線(xiàn)設計成線(xiàn)極化模式，由于圓極化天線(xiàn)可以接收任意極化的來(lái)波，且其輻射波也可由任意極化天線(xiàn)接收到，因此當前高性能的圓極化微帶天線(xiàn)的應用越來(lái)越廣泛。提到了關(guān)于實(shí)現圓極化的方法,但圓極化特性與帶寬特性不是很理想。本文提出了一種新型實(shí)現圓極化的天線(xiàn)結構，通過(guò)在貼片的一個(gè)對邊分別開(kāi)槽得到圓極化并提高了帶寬特性。

2 圓極化微帶天線(xiàn)結構設計

通常單饋點(diǎn)天線(xiàn)實(shí)現圓極化不需要外加移相網(wǎng)絡(luò )和功率分配器，結構簡(jiǎn)單，成本較低，因此被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。本文設計了一種新型圓極化微帶天線(xiàn)，實(shí)現了天線(xiàn)的寬帶特性。微帶天線(xiàn)一般可用腔模理論進(jìn)行分析，對于普通沒(méi)有開(kāi)槽的正方形貼片，通常工作于TM₁₀模和TM₀₁模，它們是方形貼片的主模。天線(xiàn)在線(xiàn)極化工作時(shí)一般只需要激勵其中一種模式，而圓極化微帶天線(xiàn)工作時(shí)必須同時(shí)激勵出兩種模式，當饋電點(diǎn)位于對角線(xiàn)上時(shí)，可以同時(shí)激勵出 TM₁₀模和TM₀₁模，因為結構對稱(chēng)，兩種模式的電流分布完全相同，對應的兩個(gè)正交極化場(chǎng)的幅度和相位也完全相同，所以合成的總場(chǎng)仍為線(xiàn)極化。而當在貼片上開(kāi)一個(gè)X方向或Y方向的矩形槽后，貼片上TM₀₁模的表面電流分布將發(fā)生一些變化，而TM₁₀模的表面電流基本沒(méi)有受影響，開(kāi)槽后貼片表面電流分布如圖1,TM₀₁模的表面電流路徑增加, 對應諧振頻率降低。此時(shí)TM₁₀模和TM₀₁模的諧振頻率不同，變化幅度不同。通過(guò)調整槽的長(cháng)度，使工作頻點(diǎn)上TM₁₀ 和TM₀₁模的場(chǎng)幅度相同，相位相差90°則可以得到圓極化。

圖1 TM₀₁模電流分布

利用如圖2所示的方法來(lái)實(shí)現圓極化，在貼片一邊上開(kāi)槽，饋電點(diǎn)位于對角線(xiàn)上。這是一個(gè)左旋圓極化貼片天線(xiàn)。

圖2 圓極化貼片天線(xiàn)

2 仿真模型與測試結果

本文設計了一種新型圓極化貼片天線(xiàn),在原有模型上給貼片對邊再開(kāi)一個(gè)槽,仿真模型如圖3所示。對此模型，我們采用軟件Ansoft HFSS11 進(jìn)行了仿真，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后各參數為：L=28mm,h=2mm,er=2.65,Ls=4.9mm,Ws=1. 5mm,Xf=Yf=4.75mm，兩個(gè)縫隙分別開(kāi)在貼片兩邊沿的1/4與3/4處。

圖3 新型圓極化天線(xiàn)仿真模型

如圖4為這種新型天線(xiàn)的實(shí)物圖。圖5為反射系數曲線(xiàn)，從圖中可以看出實(shí)測結果略?xún)?yōu)于仿真結果，兩個(gè)結果基本吻合。實(shí)測結果顯示在S₁₁-10dB時(shí)天線(xiàn)的帶寬大于160MHz，實(shí)現了很好的寬帶特性。作者這是因為此結構使得電流流向更加曲折，從而展寬了一定帶寬。圖6為天線(xiàn)的軸比曲線(xiàn)，結果顯示軸比小于-3dB的帶寬約為30MHz。圖7為天線(xiàn)的E面方向圖。從圖可以看出交叉極化小于-15dB。

圖4 天線(xiàn)實(shí)物圖

圖5 反射系數曲線(xiàn)

圖6 軸比曲線(xiàn)

4 結論

本文提出了一種新型開(kāi)槽微帶貼片天線(xiàn)，通過(guò)在貼片兩邊分別開(kāi)槽實(shí)現圓極化功能。文中給出了天線(xiàn)的仿真和實(shí)測結果，結果表明這種天線(xiàn)可以實(shí)現較好的圓極化特性。

圖7 天線(xiàn)E面方向圖