圆极化微带天线的小型化①

李中明，高 喜，周 亮

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

微带天线具有低剖面、质量轻、体积小、易加工、易组阵等优点，随着现代工艺水平的提高，在卫星通信、雷达监测、无线通信和射频测量等领域，微带天线的应用得到不断拓展。尤其在航天飞行器中，其通信设备要求天线具有共形、质量轻、体积小、成本低等特点，且由于飞行器的位置姿态不固定，要求天线具有圆极化的特点［1－4］。为满足这些要求，在普通微带贴片天线的基础上，设计了一种圆极化微带天线，通过在贴片上开槽，延长电流的路径，实现了天线小型化；采用弯曲的微带馈电装置，实现天线的圆极化辐射。

1 天线结构

圆极化微带天线如图1所示。该天线由贴片和微带馈电构成，贴片在厚度为d1的介质板上构建，介质板的长度为Wp，同时在贴片的每一条边刻蚀3个对称凹槽，凹槽的宽度W、深度L均相等，馈电采用弯折的微带线，蚀刻在厚度为d3的介质板上，通过在地板上开一个正交的十字耦合槽对贴片耦合馈电，实现天线的圆极化辐射。十字耦合槽的宽度为Ws，长度为Ls。馈线的宽度为Wf，馈线的延长线长度为LOS。为了完全隔离馈电层和辐射层，减小交叉极化的干扰，在微带馈电与贴片之间设计了高度为d2的空气间隙。

2 十字耦合槽馈电和天线小型化

图1 圆极化微带天线Fig.1 The circularly polarized microstrip antenna

在不改变贴片尺寸的情况下，在贴片上开槽，延长了电流的路径，增加了贴片的电尺寸，降低了谐振频率，最终实现天线的小型化［5－6］。为了实现圆极化微带天线的小型化，须在贴片的每一条边上刻蚀相同尺寸和数量的凹槽，以保证贴片上的电流具有对称分布的特性。通过优化凹槽的尺寸，得到符合要求的反射系数S11。另一方面，为了实现天线的圆极化辐射，采用弯折微带线的馈电方式，同时在馈电微带的地板上设计十字耦合槽，十字耦合槽相邻两臂间的馈线长度为λ／4（λ为天线的工作波长）。在这种结构中，弯折的微带线在十字耦合槽的两臂上产生的电流相位相差90°，进一步在贴片上激励环形电流，实现天线的圆极化辐射［7－9］。因此，十字耦合槽对天线辐射效率和圆极化特性具有较大影响。

为得到十字耦合槽的反射特性，研究十字耦合槽对电磁波耦合强度的影响。设V1、V2、V3、V4分别为十字耦合槽4条臂的孔径电压［10］，in为十字臂的电流；V为馈线处孔径标准电压。十字耦合槽的4条臂的孔径电压为：

十字耦合槽的反射系数Rn和孔径阻抗Zn为：

其中zc为耦合微带线的特征阻抗。由式（5）、（6）可知，通过调整耦合微带线的特征阻抗和十字耦合槽的结构参数，可得十字耦合槽的最小反射系数，从而提高天线的辐射效率。

3 天线仿真与测试

采用CST软件对贴片的表面电流分布进行仿真，天线的表面电流分布如图2所示。从图2可看出，贴片的电流呈环形分布，便于实现天线的圆极化。另一方面，在凹槽的内表面存在电流分布，延长了电流的路径，降低了天线的谐振频率。

图2 天线的表面电流分布Fig.2 The antenna surface current distribution

为了研究凹槽深度对天线谐振频率的影响，测试天线反射系数S11，如图3所示。从图3可看出，天线的工作频率随凹槽深度L的增大而降低，实现了天线的小型化。天线贴片面积比普通的微带天线减小了50%。根据式（6），对微带馈线及十字耦合槽的结构参数进行优化，当参数Ls和Ws增大时，天线的谐振频率向低频段漂移，带宽增加。最后得到最佳尺寸为：W＝2mm，L＝9mm，LOS＝19mm，Ls＝24mm，Wf＝1.479mm，Wp＝60mm，Ws＝0.56mm。

图3 反射系数S11的仿真结果Fig.3 The simulation results of reflection coefficientS11

在仿真的基础上，对天线进行加工测试，仿真和测试结果如图4所示。从图4可看出，仿真的反射系数S11带宽为130MHz（2.38～2.51GHz），实测反射系数S11带宽为230 MHz（2.16～2.39GHz）。仿真的轴比带宽为45 MHz（2.395～2.44GHz），实测的轴比带宽为50 MHz（2.19～2.24GHz）。与仿真结果相比，中心频率发生了220 MHz的频率偏移，这是由加工误差造成的。由天线E面方向图可知，在中心频率2.40GHz，天线具有良好的定向辐射特性，最大增益为7.7dB。

图4 仿真和测试结果Fig.4 The simulation and testing results

4 结束语

通过在贴片上设计对称分布凹槽，增加电流路径，实现天线的小型化，同时采用弯折微带线馈电，在微带线的地板开十字耦合槽对贴片进行耦合馈电。实验结果表明，天线轴比带宽为50 MHz，反射系数S11带宽为230 MHz，最大增益为7.7dB。该天线微带贴片的尺寸为32mm×32mm，在相同辐射性能的情况下，贴片尺寸比普通微带天线贴片的尺寸减小50%，为设计共形微带贴片天线阵列打下了基础。

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［10］Aloni E，Kastner R.Analysis of a dual circularly polarized microstrip antenna fed by crossed slots［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1994，42（8）：1053－1058.