5.8GHz高增益圓極化方形四環(huán)天線(xiàn)設計

1引言

圓極化天線(xiàn)可接受任意極化的來(lái)波，圓極化天線(xiàn)輻射波也可被任意極化的天線(xiàn)接受到。隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，對高性能的圓極化天線(xiàn)要求也越來(lái)越高。常用的圓極化天線(xiàn)通常采用螺旋天線(xiàn)、微帶天線(xiàn)形式，與螺旋天線(xiàn)相比較，微帶天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、成本低，所需空間小。但微帶天線(xiàn)頻帶窄，增益低。本文采用環(huán)天線(xiàn)形式實(shí)現圓極化，而環(huán)天線(xiàn)一直被用來(lái)實(shí)現線(xiàn)極化。直到80年代，通過(guò)在環(huán)天線(xiàn)恰當的位置開(kāi)口或引入枝節[1-4]，可以使其產(chǎn)生圓極化。常使用的環(huán)天線(xiàn)形式有圓形、方形、菱形，以及三角形等各種形狀。

在無(wú)線(xiàn)電通信應用中，需要結構簡(jiǎn)單成本低的高增益圓極化天線(xiàn)。對雙環(huán)天線(xiàn)結構，使用四元陣[2]可使增益提高到14.6dB，或使用腔型地板加子反射板[3]，使增益提高到11dB。這些都使結構復雜，需要的空間大，成本高。本文提出一種新的形式，結構由雙環(huán)變?yōu)樗沫h(huán)，使天線(xiàn)增益提高到12.2dB，既不需要復雜的地板，也不需要排陣。本文設計的天線(xiàn)工作在5.8GHzISM頻帶（5.725GHz~5.875GHz）內，首先將四環(huán)天線(xiàn)與雙環(huán)天線(xiàn)進(jìn)行仿真比較，分析四環(huán)天線(xiàn)的性能，最后給出實(shí)測結果。

2天線(xiàn)設計

如圖1（a）所示雙環(huán)天線(xiàn)，由兩個(gè)方形環(huán)組成，采用串饋型饋電形式。為使其輻射圓極化波，將開(kāi)口取到饋電點(diǎn)處，形成倒S型使環(huán)上電流分布發(fā)生變化[4]。該雙環(huán)天線(xiàn)印刷在距地板高h的介質(zhì)板底面，這樣可容易的與巴倫進(jìn)行連接。優(yōu)化缺口大小，形成左旋圓極化天線(xiàn)。將輻射貼片繞Y軸旋轉180度可容易的將左旋圓極化改成右旋圓極化。

在左旋圓極化方形雙環(huán)的基礎上加入新的左旋圓極化方形雙環(huán)，形成四環(huán)天線(xiàn)，如圖1（b）所示。兩個(gè)方形雙環(huán)天線(xiàn)尺寸不同，開(kāi)口仍取在饋電點(diǎn)處。相鄰兩個(gè)大小不同的方形環(huán)并饋，與雙環(huán)比較，可增大電流分布。然后與奇對稱(chēng)的另兩個(gè)方形環(huán)串饋，整體四環(huán)電流分布形成左旋圓極化。由于電流幅度增加，所以提高了天線(xiàn)的增益。輻射貼片仍印刷在距地板高度為h的介質(zhì)板背面。仿真優(yōu)化四環(huán)天線(xiàn)各個(gè)參數，使其形成左旋圓極化。

（a）雙環(huán)結構

圖1天線(xiàn)結構

在天線(xiàn)設計中，雙環(huán)天線(xiàn)、四環(huán)天線(xiàn)和巴倫選取相同介質(zhì)板。介質(zhì)基板材料厚度1.5mm，相對介電常數=2.2。地板均為半徑90mm的圓形銅片。

仿真優(yōu)化天線(xiàn)具體尺寸：雙環(huán)天線(xiàn)邊長(cháng)a=14.9mm，線(xiàn)寬d=0.8mm，間距w=1.5mm，缺口ds=1.0mm，高度h=13.2mm。四環(huán)天線(xiàn)邊長(cháng)a1=21.0mm，a2=18.5mm，線(xiàn)寬d=1.2mm。間距w1=3.4mm，w2=1.8mm，缺口ds1=4.1mm，ds2=1.8mm，高度h=13.2mm。

本文選取寬帶漸變巴倫并引入匹配枝節，巴倫的底部與50歐姆的同軸線(xiàn)相匹配連接，頂部組成平行雙線(xiàn)與天線(xiàn)相連接。巴倫背面模擬地板，正面漸變線(xiàn)進(jìn)行阻抗變換。通過(guò)調節巴倫漸變線(xiàn)的長(cháng)度、匹配枝節的位置大小進(jìn)行阻抗匹配。巴倫模型如圖2所示，具體尺寸b1=1.5mm，b2=4.5mm，b3=20mm，b4=4mm，h1=4.5mm，h2=0.6mm，h3=10mm。

圖2巴倫結構

3仿真與實(shí)測結果

本文使用軟件ansoftHFSS進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中，缺口大小和雙環(huán)間距對軸比影響較大。相鄰雙環(huán)間距增加，主極化副瓣升高，增益變低，軸比也變差；間距變小，交叉極化升高，軸比變差。高度h對增益影響較大，高度降低增益變高，高度升高增益降低。高度h也對軸比有影響，但影響較小。方形環(huán)的邊長(cháng)影響諧振頻率，邊長(cháng)變大，頻帶向低頻偏移，邊長(cháng)變小，頻帶向高頻偏移。線(xiàn)寬d對軸比也有影響，影響較小，對阻抗影響較大。環(huán)間距w1和w2對阻抗影響很大。

經(jīng)優(yōu)化后的仿真雙環(huán)天線(xiàn)和四環(huán)天線(xiàn)增益方向圖在φ=0°和φ=90°兩個(gè)面相似并且對稱(chēng)。在5.65GHz～5.9GHz頻段內各個(gè)頻點(diǎn)增益方向圖沒(méi)有明顯變化，如圖3所示僅給出φ=0°面中心頻率5.8GHz的仿真增益方向圖。