十字形缝隙加载圆极化三角形贴片天线设计

杨 放，卫铭斐，王 民，王 纯，周军妮

（西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，陕西 西安 710055）

微带贴片天线是上世纪50年代问世的。由于微带贴片天线具有很多优点，如结构简单、成本低、剖面薄、重量轻、易与加工及批量生产、易于与载体共形及与微波有源电路集成，因此，自问世以来一直备受关注。圆极化天线在很多方面优于线极化天线，因此圆极化微带贴片天线的设计是天线设计领域研究的热点。

对于单点同轴线馈电的微带贴片天线，实现圆极化的方法主要有：贴片对角线切角、在贴片上加载不等长的缝隙、对角线馈电近似正方形微带贴片、分形边界的贴片等。这些方法本质上都是通过形成两个幅度相等，相位差为90度的正交模式来实现圆极化的[1-6]。现有文献中对方形和圆形的贴片天线实现圆极化的研究较多，而关于圆极化三角形微带贴片天线报道不多[7-9]。总结现有文献中单点馈电圆极化微带贴片天线的设计方法，主要存在以下问题：频带较窄，不容易准确调节天线的圆极化谐振频率；为了实现圆极化，对天线缝隙尺寸的制造公差要求高。

除了在微带贴片上刻槽能实现圆极化，在方形微带贴片天线的接地板上刻方形或者圆形槽也能实现圆极化[10-12]。贴片上刻十字形槽可以有效降低谐振频率，实现天线小型化[1，9]。基于此，本文提出在三角形微带贴片天线的贴片上和接地板上各刻一个同尺寸的十字形槽，通过调节十字形槽的尺寸和位置来实现尺寸缩减和圆极化。本文提出保持十字形槽的尺寸和三角形贴片边长的比值为0.25时获得圆极化的方法。同时，可以通过改变辐射贴片上槽的大小改变电流的路径调节天线的圆极化谐振频率。本文提出的方法解决了单点馈电圆极化微带贴片天线设计中存在的一些问题。

1 天线结构及参数

十字形缝隙加载圆极化等边三角形微带贴片天线及所建立的坐标系如图1所示。介质基片选择厚度为1.6 mm的FR4环氧树脂板，其相对介电常数为4.4。天线的馈电方式为50欧同轴线单点馈电，天线的馈电点位置在点F（-4.24，-4.24）。天线的总尺寸为50 mm*50 mm*1.6 mm，等边三角形贴片的边长D=40 mm。在图1（b）中，在贴片的中心加载一个边长为l1=10 mm的十字形槽来增大电流路径从而降低谐振频率，获得天线的小型化。在接地板上嵌入另一个边长l2=10 mm的十字形缝隙实现圆极化和小型化。在设计过程中缝隙宽度保持在2.5 mm。仿真结果表明，当接地板上的十字形槽在y轴上并距离坐标原点d=17 mm时可获得圆极化。

2 仿真结果及讨论

图1 十字形缝隙加载微带贴片天线Fig.1 Equilateral triangle microstrip patch antenna with cross slot

本文采用ANSYS公司的电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真分析。图2为天线的回波损耗及Smith圆图。可见，在2.246 GHz时回波损耗S11<-20 dB，天线与传输线获得良好的匹配。图3为天线贴片和接地板上的电流分布。由电流分布可见，十字形缝隙延长了贴片及接地板上的电流路径，电流分布在十字形槽的附近，从而实现了圆极化及天线的尺寸缩减。图4为天线在φ=0平面的增益方向图，天线的轴向增益为1.8 dB。图5给出了天线轴向增益和轴比随频率的变化曲线。可见，天线的阻抗和圆极化带宽分别为85 MHz（3.8%）和 22 MHz（1%）。因此，当缝隙尺寸与贴片边长之比为0.25时，可以获得圆极化辐射。改变贴片上缝隙的大小l2可以改变天线的圆极化谐振频率。减小l2，天线的谐振频率增大，而圆极化特性变化不大，如图6所示。

图2 回波损耗和Smith圆图Fig.2 Return loss and Smith chart

3 结 论

本文提出了一种小型化圆极化三角形微带贴片天线简便有效的设计方法。在贴片和接地板上刻十字形槽来实现圆极化和小型化。当两个十字形槽的尺寸为贴片边长的0.25倍时，可以获得圆极化辐射。HFSS仿真结果验证了方法的正确性和有效性。本文的仿真结果为圆极化微带贴片天线的设计提供了一定的理论参考。

图4 天线增益方向图Fig.4 Power gain pattern

图5 增益和轴比随频率的变化Fig.5 Variations of axial ratio and gain with frequency

图6 轴比随l2变化Fig.6 Axial ratio with different l2

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