一種以空氣為基板的圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)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(guò)在微帶貼片四周與中心開(kāi)槽，減小了天線尺寸，實(shí)現(xiàn)天線圓極化的性能。進(jìn)一步研究了天線的參數(shù)對(duì)圓極化性能的影響，通過(guò)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(wú)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(lái)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(lái)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(gè)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(kāi)槽的圓極化縫隙微帶天線，并用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線性能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種超高頻圓極化微帶天線。

1 天線理論分析與設(shè)計(jì)
1．1 圓極化理論
    根據(jù)腔模理論可知，一個(gè)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(gè)簡(jiǎn)并模，但不能形成90°相位差。為了在簡(jiǎn)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(jiǎn)并模分離單元。當(dāng)簡(jiǎn)并模分離單元大小選擇合適時(shí)，對(duì)工作頻率而言，一個(gè)模的等效阻抗相角超前45°，而另一個(gè)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(jì)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(jiǎn)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(duì)角線上的矩形微帶天線稱為B型。

    對(duì)于B型一點(diǎn)饋電的矩形圓極化微帶天線來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生圓極化的簡(jiǎn)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(jì)
    利用HFSS軟件對(duì)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(shí)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(kāi)四個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，由于表面開(kāi)槽使天線饋源激勵(lì)的表面電流集中于天線貼片的中心，此時(shí)在天線貼片中心引入
一個(gè)尺寸很小的槽來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的圓極化性能。

    微帶天線槽的寬度對(duì)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(jì)的天線，改變微帶貼片的長(zhǎng)度，使其長(zhǎng)度分別為120．2 mm，124．2 mm，128．2 mm時(shí)，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(duì)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(shí)，得到圖5，圖6所示的兩組曲線。由圖5可知，槽長(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)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(jì)理論和數(shù)值分析，經(jīng)過(guò)HFSS的優(yōu)化后得到該微帶天線尺寸為W=L=124．2 mm，邊槽長(zhǎng)ls=36．5 mm，利用式(1)可以得出中心槽長(zhǎng)為lp=22．8 mm。對(duì)中心槽的長(zhǎng)度和寬度做適當(dāng)調(diào)整，并選擇適當(dāng)?shù)酿侂娢恢茫詈蟮玫捷^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(shí)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(shí)也會(huì)減小天線的帶寬、降低天線效率。這就需要設(shè)計(jì)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(duì)天線帶寬的影響，得到了性能較為良好的天線。