一種寬軸比帶寬L頻段圓極化貼片天線

摘要：圓極化全向天線由于其自身的性能特點，在現(xiàn)代無線應用中越來越受到廣泛的關注。提出一種寬軸比帶寬的L頻段圓極化微波貼片天線，該天線有上下兩個介質(zhì)層，下層微帶饋線耦合饋電，接地面蝕刻十字交叉縫隙以幫助實現(xiàn)圓極化和改善上層貼片的耦合度。設計結(jié)果顯示，該天線3 dB軸比帶寬可以達到3．5％(1．023～1．060 GHz)，在有效帶寬內(nèi)天線增益高于5．68 dBi，在中心頻率點(1．04 GHz)天線的前后瓣比高于20 dB。
關鍵詞：圓極化：微帶天線：全向天線：軸比

0 引言
    隨著科學技術和社會的不斷發(fā)展，對天線的性能要求也越來越高，在現(xiàn)代的無線應用系統(tǒng)，普通的線極化天線已很難滿足人們的需求，圓極化天線的應用越來越廣泛，其主要的特點體現(xiàn)在以下幾個方面：
    (1)圓極化天線可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線收到；
    (2)圓極化天線具有旋向正交性；
    (3)極化波入射到對稱目標時旋向逆轉(zhuǎn)，不同旋向的電磁波具有較大數(shù)值的極化隔離。
    由于圓極化天線具有以上特點，因此，被廣泛使用在通信、雷達、電子偵察與電子干擾等各個方面。
    圓極化微帶天線體積小、重量輕、剖面低，并且能與載體共形，除了在饋電點處要開出引線孔外，不破壞載體的機械結(jié)構(gòu)，這對于高速飛行器特別有利。
    圓極化天線的基本電參數(shù)是最大增益方向上的軸比，軸比不大于3 dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬。軸比決定天線的極化效率，同時表征天線極化純度的交叉極化鑒別率也可由軸比得出。因此如何表現(xiàn)出好的軸比特性，是圓極化天線設計的難點。
    本文提出一種L頻段圓極化貼片天線的設計方案，仿真結(jié)果表明，該天線的軸比特性優(yōu)異，顯示了天線具有良好的性能。

1 設計方案
1．1 設計思想
    為了改善輻射圓極化的性能，一般采用兩點式饋電方式，兩個饋電點在空間上呈90°角，使用相位差90°的同幅信號饋電。可是這種饋電方式所需的功分電路占用了額外空間，增加了插入損耗，從而降低了天線性能。采用單點饋電方式可以避免兩點饋電形式帶來的復雜電路要求和額外的插損。
    本文提出一種單點饋電天線形式，該天線包含一個方形貼片，采用與貼片對角線平行的一條斜線饋電。在天線接地面上蝕刻十字交叉縫隙，通過調(diào)整兩縫隙的長度及長度差，可以使方形貼片出現(xiàn)兩個鄰近的正交模式頻率，并且兩頻率的中心頻點上兩種模式相位差為90°，這樣就能在中心頻率點上激勵圓極化場分布。
    加縫隙可以實現(xiàn)圓極化、改善天線的耦合度和帶寬，但縫隙的雙向輻射同時也會增加反向散射，因此設計天線時縫隙的大小相當關鍵。為了進行阻抗匹配，縫隙就不能太??；而由于縫隙在接地面上會產(chǎn)生反向輻射，為了減少反向輻射，縫隙又不能太大。
1．2 設計參數(shù)
    復合開槽貼片天線構(gòu)造如圖1和圖2所示。該天線包含兩個介質(zhì)基層，上層稱為天線層，下層稱為饋電層，兩層之間以空氣分割。兩個介質(zhì)層的介電系數(shù)分別為ε1=3．3，ε2=2．17，高度h1=1．6 mm，h2=2．4 mm，兩層中間的空氣隔層高度h3=2．6 mm。設計饋電層上面的微帶饋電線使特征阻抗為50 Ω，微帶線與貼片對角線平行，伸過貼片中心的長度Ls=16 mm。饋電層底面是中心蝕刻十字槽的金屬地，十字槽的長度Lx1=32．6 mm，Lx2=20 mm，槽寬2．5 mm。天線層含有金屬貼片，貼片的長度和寬度相同，即L=W=98 mm。

2 設計仿真結(jié)果
    天線軸比、天線回波損耗、天線輸入阻抗及天線增益隨頻率變化曲線如圖3～圖6所示。

    從圖3可以看出，1．023～1．060 GHz軸比低于3 dB，即在中心頻率點1．04 GHz的3 dB軸比帶寬達到3．5％，中心頻率點軸比為1.16 dB，離中心頻率越遠，軸比性能越差。從圖4可以看出，天線有兩個諧振點：1．03 GHz和1．05 GHz。諧振頻率與兩個方向上縫隙尺寸相關，彼此正交，因此，通過調(diào)整縫隙尺寸可以調(diào)整諧振頻率。在有效軸比帶寬的范圍內(nèi)，天線有高于18 dB的回波損耗。
    從圖5可以看出，在有效帶寬范圍內(nèi)天線有較好的阻抗特性。圖6顯示天線增益在有效帶寬范圍內(nèi)介于5．68～6．24 dBi之間。如果需要獲得更大的天線增益，可以嘗試在貼片上覆蓋一個介質(zhì)層。

    圖7和圖8顯示了天線的輻射方向圖，兩個輻射模式互相正交，垂直于天線面。φ=0°表示的是沿貼片寬度W方向及其側(cè)向的的輻射面，同樣φ=90°表示的是順貼片長度L方向及其側(cè)向的的輻射面。
    圖9是中心頻點上天線左旋圓極化增益方向圖，可以計算得出天線在中心頻率點上的前后瓣比大于20 dB。

 
3 結(jié)論
    本文敘述的是一種仿真結(jié)果很好的單饋電圓極化天線。該天線的軸比帶寬達到3．5％，前后瓣比大于20 dB，具有很好的阻抗匹配特性(回波損耗大于18 dB)和增益特性(大于5．68 dBi)。為了獲得更高的天線增益，還可以在貼片上方覆蓋一個介質(zhì)層。仿真結(jié)果表明，該天線的尺寸不大，如在貼片表面開槽或細縫，可使天線更加小型化。