一种宽轴比带宽L频段圆极化贴片天线

摘要：圆极化全向天线由于其自身的性能特点，在现代无线应用中越来越受到广泛的关注。提出一种宽轴比带宽的L频段圆极化微波贴片天线，该天线有上下两个介质层，下层微带馈线耦合馈电，接地面蚀刻十字交叉缝隙以帮助实现圆极化和改善上层贴片的耦合度。设计结果显示，该天线3 dB轴比带宽可以达到3．5％(1．023～1．060 GHz)，在有效带宽内天线增益高于5．68 dBi，在中心频率点(1．04 GHz)天线的前后瓣比高于20 dB。
关键词：圆极化：微带天线：全向天线：轴比

0 引言
    随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线应用系统，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛，其主要的特点体现在以下几个方面：
    (1)圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到；
    (2)圆极化天线具有旋向正交性；
    (3)极化波入射到对称目标时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。
    由于圆极化天线具有以上特点，因此，被广泛使用在通信、雷达、电子侦察与电子干扰等各个方面。
    圆极化微带天线体积小、重量轻、剖面低，并且能与载体共形，除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。
    圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，轴比不大于3 dB的带宽定义为天线的圆极化带宽。轴比决定天线的极化效率，同时表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出。因此如何表现出好的轴比特性，是圆极化天线设计的难点。
    本文提出一种L频段圆极化贴片天线的设计方案，仿真结果表明，该天线的轴比特性优异，显示了天线具有良好的性能。

1 设计方案
1．1 设计思想
    为了改善辐射圆极化的性能，一般采用两点式馈电方式，两个馈电点在空间上呈90°角，使用相位差90°的同幅信号馈电。可是这种馈电方式所需的功分电路占用了额外空间，增加了插入损耗，从而降低了天线性能。采用单点馈电方式可以避免两点馈电形式带来的复杂电路要求和额外的插损。
    本文提出一种单点馈电天线形式，该天线包含一个方形贴片，采用与贴片对角线平行的一条斜线馈电。在天线接地面上蚀刻十字交叉缝隙，通过调整两缝隙的长度及长度差，可以使方形贴片出现两个邻近的正交模式频率，并且两频率的中心频点上两种模式相位差为90°，这样就能在中心频率点上激励圆极化场分布。
    加缝隙可以实现圆极化、改善天线的耦合度和带宽，但缝隙的双向辐射同时也会增加反向散射，因此设计天线时缝隙的大小相当关键。为了进行阻抗匹配，缝隙就不能太小；而由于缝隙在接地面上会产生反向辐射，为了减少反向辐射，缝隙又不能太大。
1．2 设计参数
    复合开槽贴片天线构造如图1和图2所示。该天线包含两个介质基层，上层称为天线层，下层称为馈电层，两层之间以空气分割。两个介质层的介电系数分别为ε1=3．3，ε2=2．17，高度h1=1．6 mm，h2=2．4 mm，两层中间的空气隔层高度h3=2．6 mm。设计馈电层上面的微带馈电线使特征阻抗为50 Ω，微带线与贴片对角线平行，伸过贴片中心的长度Ls=16 mm。馈电层底面是中心蚀刻十字槽的金属地，十字槽的长度Lx1=32．6 mm，Lx2=20 mm，槽宽2．5 mm。天线层含有金属贴片，贴片的长度和宽度相同，即L=W=98 mm。

2 设计仿真结果
    天线轴比、天线回波损耗、天线输入阻抗及天线增益随频率变化曲线如图3～图6所示。

    从图3可以看出，1．023～1．060 GHz轴比低于3 dB，即在中心频率点1．04 GHz的3 dB轴比带宽达到3．5％，中心频率点轴比为1.16 dB，离中心频率越远，轴比性能越差。从图4可以看出，天线有两个谐振点：1．03 GHz和1．05 GHz。谐振频率与两个方向上缝隙尺寸相关，彼此正交，因此，通过调整缝隙尺寸可以调整谐振频率。在有效轴比带宽的范围内，天线有高于18 dB的回波损耗。
    从图5可以看出，在有效带宽范围内天线有较好的阻抗特性。图6显示天线增益在有效带宽范围内介于5．68～6．24 dBi之间。如果需要获得更大的天线增益，可以尝试在贴片上覆盖一个介质层。

    图7和图8显示了天线的辐射方向图，两个辐射模式互相正交，垂直于天线面。φ=0°表示的是沿贴片宽度W方向及其侧向的的辐射面，同样φ=90°表示的是顺贴片长度L方向及其侧向的的辐射面。
    图9是中心频点上天线左旋圆极化增益方向图，可以计算得出天线在中心频率点上的前后瓣比大于20 dB。

 
3 结论
    本文叙述的是一种仿真结果很好的单馈电圆极化天线。该天线的轴比带宽达到3．5％，前后瓣比大于20 dB，具有很好的阻抗匹配特性(回波损耗大于18 dB)和增益特性(大于5．68 dBi)。为了获得更高的天线增益，还可以在贴片上方覆盖一个介质层。仿真结果表明，该天线的尺寸不大，如在贴片表面开槽或细缝，可使天线更加小型化。