一种曲折L型探针馈电的双极化贴片天线端口隔离度研究

李 磊

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京210003）

0 引言

双极化天线是在1996年的IEEE天线和传播年会上首次被列为一类研究课题的，它除了保留了微带天线体积小、重量轻、易共形、易于集成等优点外还具有其特有的优点，即：频率复用、收发一体化、极化分集和极化捷变。

正是基于双极化所特有的优点以及其所具有的的广泛前景，越来越多的人在从事这方面的研究工作。衡量双极化天线的指标除了传统微带天线的衡量指标如：增益、带宽、波束宽度、前后比外，更重要的性能指标是端口隔离度和交叉极化电平。当前研究最多的是馈电方法就是口径耦合馈电[1－2],Vivek用实验验证了H型耦合槽可以得到较大的耦合量，根据这个理论文献[3－4]提出了在接地板上开H型槽给端口馈电，这种方法增加了带宽和隔离度。文献[5]在此基础上提出了将两个H缝隙改为T型缝隙，带宽和隔离度都有所提高，但是交叉极化特性一般。以上研究都是基于提高带宽，导致隔离度很难高于30dB。

本文在分析研究了现有的双极化微带天线馈电方式基础上，从提高端口收发隔离度和降低交叉极化电平出发，研究出了一种新型L型探针馈电的双极化微带贴片天线。

1 天线结构设计

图1 侧视图

该天线的结构如图1所示，由下往上看整个天线结构分为五层：第一层是长为LGND=250mm的方形金属接地板；第二层是厚度h2=10mm的空气层；第三层是边长为a=137mm的辐射贴片；第四层是边长为b=180mm，厚度为h1=2mm，介电常数为2.65的方形介质基板；第五层是L型探针末端的曲折微带条。具体参数如表1所示。第一层金属接地板和第四层介质基板之间采用塑料支撑柱支撑。探针的曲折微带条和辐射贴片分别位于介质基板上下两侧，能量通过L形探针传到曲折形微带条，并与下方的贴片耦合将能量辐射出去。这样设计有两点好处：一是贴片上方的介质基板可以起到天线罩的保护作用；二是这种曲折微带条结构可以增加端口间隔离度。

图2 俯视图

图3 端口输入阻抗频率特性图

表1 天线仿真参数

2 天线仿真与结果分析

由图3可以看出该天线在中心频率915MHz点处，端口输入阻抗实部接近50欧，虚部感抗值接近于0亨，说明天线端口几乎达成匹配状态。从图4中端口S11曲线可以看出天线的中心频率在915MHz附近，在电压驻波比VSWR＜1.5(S11＜-14dB)时，天线的工作频段为907MHz～929MHz,相对带宽为2.4%；从S21曲线可以看出在天线工作频带内S21＜-37dB，也就是端口间隔离度好于37dB，在中心频率附近端口隔离度达到最高，超过了42dB。该天线的端口隔离度性能远远超过了工程要求的20dB。由图5端口的E面(x-z)图可看出，该天线辐射方向上的交叉极化电平小于-35dB；由图6端口的H面(y-z)图可看出，该天线辐射方向上的交叉极化电平小于-20dB。也就是说天线端口的交叉极化满足工程要求（-20dB以下）。

图4 反射系数和隔离度随频率变化

图5 端口的E面(x-z)图

3 结论

本文提出了一种中心频率为915MHz的新型曲折L型探针馈电的双极化贴片天线结构，并用HFSS仿真软件对其主要参数进行了仿真计算。本文改进了传统的L形探针馈电方法，采用了曲折微带条作为同轴线末端馈电结构结构，采用这种结构可以较大程度上提高双极化天线两端口间隔离度。实验测量表明，这种新型结构的双极化天线驻波比 VSWR＜1.5(S11＜-14dB)时的相对带宽为2.4%，带内隔离度为37dB，具有较高的端口收发隔离度；而且天线辐射方向上的交叉极化电平小于-20dB，满足工程需要，这种微带结构可以用于射频识别读写器天线。

图6 端口的H面(y-z)图

随着科技的快速发展，在小型化，多频段，宽带宽，高隔离，低交叉极化等方面对双极化天线提出了更高的要求，所以接下来的工作中，我们还可以在小型化和带宽方面对该天线做进一步的改进。

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