一種以空氣為基板的圓極化微帶天線的設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種以空氣為基板的超高頻(UHF)圓極化矩形微帶天線。該天線通過在微帶貼片四周與中心開槽，減小了天線尺寸，實現(xiàn)天線圓極化的性能。進(jìn)一步研究了天線的參數(shù)對圓極化性能的影響，通過天線參數(shù)的優(yōu)化，使天線達(dá)到了良好的圓極化性能。
關(guān)鍵詞：微帶天線；圓極化；超高頻；縫隙天線

0 引言
    微帶天線由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和多樣化的性能，在各種無線電設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。和常用的微波天線相比，微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體(如飛行器)共形等優(yōu)點(diǎn)。其中圓極化微帶天線，由于它能夠接收任意極化的來波，并且其產(chǎn)生的圓極化輻射波可以被任意極化的天線所接收，從而越來越受到人們的關(guān)注。用微帶天線產(chǎn)生圓極化輻射波的關(guān)鍵是產(chǎn)生兩個極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。
    本文研究了一種中心開槽的圓極化縫隙微帶天線，并用Ansoft HFSS軟件對天線性能進(jìn)行分析，設(shè)計了一種超高頻圓極化微帶天線。

1 天線理論分析與設(shè)計
1．1 圓極化理論
    根據(jù)腔模理論可知，一個形狀規(guī)則的單片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生極化正交、幅度相等的兩個簡并模，但不能形成90°相位差。為了在簡并模之間形成90°相位差，需在規(guī)則形狀的單片微帶天線上附加一簡并模分離單元。當(dāng)簡并模分離單元大小選擇合適時，對工作頻率而言，一個模的等效阻抗相角超前45°，而另一個模的等效阻抗相角滯后45°，這樣就形成了圓極化輻射。選擇合適的模分離單元的大小和位置以及恰當(dāng)?shù)酿侂娢恢檬窃O(shè)計這種圓極化微帶天線的主要內(nèi)容。
    如圖1所示，圖1(a)表示矩形微帶天線的坐標(biāo)位置；圖1(b)表示附加簡并分離單元△s的矩形微帶天線，其中饋電點(diǎn)在x軸或y軸上的矩形微帶天線稱為A型；饋電點(diǎn)在對角線上的矩形微帶天線稱為B型。

    對于B型一點(diǎn)饋電的矩形圓極化微帶天線來說，產(chǎn)生圓極化的簡并分離單元△s的大小為：
   
    式中：s為微帶貼片的面積；Q0為天線總的品質(zhì)因數(shù)。
1．2 天線的設(shè)計
    利用HFSS軟件對天線進(jìn)行建模，其模型如圖2所示。天線采用介電常數(shù)約為1的空氣作為基板。同時要折中考慮微帶天線的帶寬與效率，最后選擇介質(zhì)的厚度為h=4 mm。貼片四周各開四個長度相等的槽，改變了貼片表面電流的分布，從而增加了天線的等效長度，降低了天線的諧振頻率，達(dá)到了減小天線尺寸的目的。同時，由于表面開槽使天線饋源激勵的表面電流集中于天線貼片的中心，此時在天線貼片中心引入
一個尺寸很小的槽來實現(xiàn)天線的圓極化性能。

    微帶天線槽的寬度對諧振頻率的影響很小，因此該天線的槽寬均為1 mm。

2 仿真結(jié)果
2．1 天線參數(shù)分析
    根據(jù)上面設(shè)計的天線，改變微帶貼片的長度，使其長度分別為120．2 mm，124．2 mm，128．2 mm時，諧振頻率與軸比帶寬的曲線如圖3，圖4所示。由這兩組曲線可知，諧振頻率與軸比帶寬均隨著天線尺寸的增大而減小，并對最小軸比有一定的影響。

    保持天線其他參數(shù)不變，改變中心槽的大小，使其分別為18．2 mm，22．2 mm，26．2 mm時，得到圖5，圖6所示的兩組曲線。由圖5可知，槽長對最低諧振頻率的影響極小，這一特性極利于天線頻率的調(diào)諧。而從圖6中可以知道，隨著中心槽長度的增加，最小軸比向左發(fā)生偏移。

2．2 天線仿真結(jié)果
    根據(jù)微帶天線的設(shè)計理論和數(shù)值分析，經(jīng)過HFSS的優(yōu)化后得到該微帶天線尺寸為W=L=124．2 mm，邊槽長ls=36．5 mm，利用式(1)可以得出中心槽長為lp=22．8 mm。對中心槽的長度和寬度做適當(dāng)調(diào)整，并選擇適當(dāng)?shù)酿侂娢恢?，最后得到較為理想的圓極化天線。如圖7～圖9所示，該天線中心頻率在926 MHz，帶寬達(dá)到14 dB。最小軸比達(dá)到0．8左右，在較寬的頻帶范圍實現(xiàn)天線的圓極化。

3 結(jié)論
    在微帶天線上加載縫隙，雖然可以減小天線尺寸，但同時也會減小天線的帶寬、降低天線效率。這就需要設(shè)計人員折中考慮兩者之間的矛盾。以介電常數(shù)很小的空氣作為微帶天線的基底，減小了縫隙對天線帶寬的影響，得到了性能較為良好的天線。