一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计

尚玉玺，刘运林，何之煜

（西南交通大学电磁场与微波研究所，四川成都610031）

摘要：提出一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线，它由微带馈线、辐射贴片和FR4介质板组成，在辐射贴片的矩形槽对角添加两个环形结构，实现了微带天线圆极化的要求，通过调整微带馈线的尺寸，有效改善了天线的轴比带宽。该天线单元的轴比带宽达到了43.8%（2.5~3.9 GHz）。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：宽带；圆极化；微带线馈电；微带天线

中图分类号：TN92?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0067?04

收稿日期：2015?01?30

0 引言

现代无线通信系统对天线的性能要求越来越高，单纯线极化天线已无法满足要求，因此圆极化天线的应用越来越广泛。由于圆极化微带天线具有剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点，已经被广泛应用于卫星通信、导航等领域。然而，传统的圆极化微带天线，圆极化带宽较窄，为了提高天线的圆极化带宽，已有研究分别运用了多种方法来实现。文献[1?2]采用了多点馈电的方式，在文献[1]中采用了Wilkinson功分器，圆极化轴比带宽能达到20%，但额外附加功分器，必须精心设计馈电网络以保证圆极化性能，这就增加了制作成本；在文献[2]中，采用了寄生贴片的方式，实现的轴比带宽约为45%，但这样的结构或多或少的损害了微带天线剖面薄的特点。文献[3?5]采用了口径耦合的方式进行馈电，由于其辐射部分与馈电部分被接地板隔开，馈线的寄生辐射弱；因此天线的交叉极化电平低，但是当增加基片厚度展宽频带时，要加大槽的尺寸以获得阻抗带宽，这将导致后向辐射电平升高。文献[6?8]采用了微带线馈电的方式，但是所实现的轴比带宽都达不到本文提到的天线。

本文提出一种利用梯形微带线馈电的微带缝隙天线，采用仿真软件分析该天线的阻抗带宽、圆极化轴比带宽、辐射方向图及增益特性，并分析了天线结构中一些参数对天线轴比带宽性能的影响。

1 天线结构

天线结构如图1所示。天线主要由两部分组成：在矩形槽对角添加两个环形结构的辐射贴片，中心的圆形辐射贴片；类似梯形的微带馈线。辐射贴片和微带馈线分别印制在h = 0.8 mm的FR4基板两面，基板相对介电常数为4.4，整体尺寸为45 mm×45 mm×0.8 mm，天线馈电采用50 Ω的微带馈线。在辐射贴片矩形槽的对角添加两个环形结构，可以激励起两个幅度相等、相位相差90° 的线极化波，从而实现圆极化。优化后的各个参数值分别为： h = 0.8 mm，G = 45 mm，M = 36 mm，R1 = 9 mm，R2 = 10.3 mm， R3 = 6 mm， W1 = 1.5 mm， W2 = 15 mm，W3 = 26 mm，W4 = 2.75 mm，L1 = 5.5 mm，L2 = 8 mm，L3 =2 mm。

2 天线性能分析

各个设计参数对天线的性能影响不同。为了详细研究天线中各个参数变化对天线性能的影响，并得到最佳的阻抗带宽和轴比带宽，需要对天线各个参数进行详细的仿真分析。这里分别讨论了两个环形结构和微带馈线的尺寸对天线性能的影响，分析某一个参数的影响时，其他参数保持不变。

2.1 参数分析

下面主要通过仿真分析R1，R2，W3 等参数对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，如图2~图4所示。

在图2中，从S11 曲线图中可以看出，随着R1 的增大，天线的谐振频率往低偏，反之减小则往高偏；而天线的轴比带宽随R1 的变化较大，当R1 = 9 mm时效果比较好。

从图3 中可以看出，R2 的变化影响到阻抗带宽的整个频段，随着R2 的增大，高频段的回波损耗明显减小；但是R2 = 10.8 mm 的轴比带宽明显比R2 = 10.3 mm的要窄，所以取R2 = 10.3 mm。

从图4 中可以看出，W3 的变化对阻抗带宽的影响比较小，而W3 对轴比影响较大，随着W3 的减小，在低频段的轴比效果变得越来越差。

图5 为优化后天线的回波损耗和轴比的曲线图。

其10 dB 回波损耗带宽为66.9%（2.12~4.25 GHz），3 dB轴比带宽为61%（2.12~3.98 GHz）。

2.2 天线性能测试

为了验证该天线结构的可行性和仿真计算结果的正确性，制作了天线实物模型进行测试。图6为天线S11的仿真和实测的结果对比，曲线变化趋势吻合较好，并且S11 < -10 dB 的带宽保持一致。图7为天线轴比的仿真和实测的结果对比。可以看到实测的结果与仿真的结果有一定的出入，原因可能有：天线在加工制作过程中粗糙的焊接以及在微波暗室的安装过程和周围环境，这些都可能对天线轴比测试产生误差。

2.3 辐射方向图与增益

图8 和图9 分别是天线在2.5 GHz 和3.5 GHz 两个频点上的xOz 平面和yOz 平面的辐射方向图。可以看出，在2.5 GHz 时方向图较好且交叉极化比较小，但是在3.5 GHz时的方向图较差。

图10 是天线的增益曲线图，可知该天线在频段内最小增益为2.6 dB，最大增益达到4 dB，平均增益为3.5~3.7 dB。

3 结论

本文给出的微带线馈电的宽带圆极化微带天线，结构形式简单，通过在对角添加两个环形结构，使得天线的轴比在较宽的频率范围内都能满足要求。在经过详细的结构参数分析与研究之后，将天线印刷在FR4介质板上，并进行了性能测试。最终实现的结果，3 dB轴比带宽达到43.8%，有比较理想的阻抗带宽，而且在频段内的辐射方向图也比较理想，平均增益为3.5~3.7 dB。该天线结构简单、体积小、成本低、加工方便，可广泛地应用于卫星通信及其他领域。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1] LAU K L，LUK K M. A novel wide?band circularly polarizedpatch antenna based on L?probe and aperture?coupling tech?niques [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，53（1）：577?580.

[2] LIN C，ZHANG F S，JIAO Y C，et al. A three?fed microstripantenna for wideband circular polarization [J]. IEEE AntennasWireless Propagation Letters，2010，9（2）：359?362.

[3] ORAIZI H，PAZOKI R. Wideband circularly polarized aperture?fed rotated stacked patch antenna [J]. IEEE Transactions onAntennas and Propagation，2013，61（3）：1048?1054.

[4] HUNG T F，LIU J C，BOR S S，et al. Compact single?feed cir?cularly polarized aperture?coupled stack antenna with minkows?ki?island?based fractal patch [J]. Microwave and Optical Tech?nology Letter，2012，54（10）：2278?2283.

[5] KUMAR A，KARTIKEYAN M V. A circularly polarized stackedpatch aperture coupled microstrip antenna for 2.6 GHz band[J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves，2007，28（1）：13?23.

[6] LU J H，WANG S F. Planar broadband circularly polarized an?tenna with square slot for UHF RFID reader [J]. IEEE Transac?tions on Antennas and Propagation，2013，61（1）：45?53.

[7] 李尚轩，陈拓，党琳，等.一种新型双频圆极化微带缝隙天线的设计[J].电子科技，2013，26（11）：86?88.

[8] SZE J Y，CHEN W H. Axial?ratio?bandwidth enhancement of amicrostrip?line?fed circularly polarized annular?ring slot antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（7）：2450?2456.

[9] 贾登权，史志纬.一种新型超宽带微带天线[J].现代电子技术，2009，32（1）：41?42.

作者简介：尚玉玺（1988—），男，河南商丘人，硕士研究生。主要研究方向为圆极化微带天线的宽带及小型化等。

刘运林（1965—），男，四川人，教授，博士生导师。主要研究方向为天线理论与技术。

何之煜（1991—），男，浙江人，硕士研究生。主要研究方向为天线理论与技术。