一种易于调谐的小型圆极化微带天线设计

周　东，孙玉发，胡少启（安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥　230039）



一种易于调谐的小型圆极化微带天线设计

周东，孙玉发，胡少启
（安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥230039）

摘要：文章设计了一款易调谐的小型圆极化微带天线，采用在方形贴片表面对角开槽的方式减小天线尺寸，利用在地板上加载2对非对称的窄槽来激发圆极化辐射波，并在地板中心处加载1个方形槽以实现易调谐特性。对制作的天线进行测试，结果表明，在全球定位系统（Global Positioning Systems，GPS）1.575 GHz频点上轴比为0.55 dB，圆极化带宽为17 MHz，有效地克服了表面开槽对圆极化性能的影响，与传统天线相比具有易调谐、结构紧凑等特点，具有良好的工程实用性。

关键词：开槽；圆极化；微带天线；全球定位系统；易调谐

孙玉发（1966-），男，安徽全椒人，博士，安徽大学教授，博士生导师.

随着导航系统的迅猛发展，多样化的全球定位系统（Global Positioning Systems，GPS）天线的设计需求也日益增加。GPS民用频段的中心频率为1.575 GHz，极化方式为右旋圆极化。圆极化微带天线在继承普通微带天线优点的基础上具有以下优点：①能够接收任意极化的电磁波；②利用圆极化微带天线的旋向正交性，使其在分集技术和电子对抗中得到了广泛的应用；③由于圆极化电磁波入射到对称目标时旋向逆转，因此能够抑制雨雾干扰和抵抗多路径反射［1］。

近年来，微带天线的开槽技术迅速发展，有关功能各异的开槽方式的研究也日益增多。文献［2］在圆环形槽天线上加载一个倒U形槽，实现了谐波抑制的目的；文献［3-5］分别采用辐射贴片表面开槽和地板开槽的方式减小了天线的尺寸；文献［6-7］采用地板刻槽方式使得圆极化天线的增益得到了提高；文献［8-9］通过采用加载U形和L形槽实现多频段覆盖。

本文采用表面开槽曲流技术减小传统方形天线尺寸，通过对角线单点馈电方式并结合地板刻槽引入微扰，实现右旋圆极化辐射。地板刻槽有效地避免了天线辐射表面对角线上的开槽对圆极化性能的破坏。另外，在不改变天线辐射性能的情况下，调节地板中心处的方形槽尺寸可以调谐圆极化频率，为圆极化天线的设计提供了便利。

1　天线设计与实现

微带天线要实现圆极化辐射的关键是激励出2个幅度相等、极化方式正交、相位相差90°的线极化波［10-11］。本文采用对角线上单点馈电方式，并结合合适的地板开槽，在辐射贴片单元表面激发出极化方式正交、幅度相等的2个简并模，通过调节槽的大小和相对位置在2个简并模之间形成90°相差，实现右旋圆极化波的辐射。该天线的结构如图1所示。

图1　天线结构

天线采用边长为S的正方形辐射单元，地板中心处为Cr×Cr的方形槽，对应于贴片下方的是两对非对称的窄槽；辐射贴片表面采用对角开L1S×W1S的长方形槽来缩减天线尺寸。

本文利用Ansoft公司的高频仿真软件HFSS 13.0对天线进行了大量的电磁仿真和优化计算。研究发现，对角线上馈电的辐射贴片天线在进行对角开槽时，圆极化性能会明显减弱，其表面电流分布如图2a所示；为改善圆极化性能，在地板处进行开槽处理，受地板开槽结构的影响，表面电流分布受到了较大程度的改变，如图2b所示。相位从0°～270°变化的电流分布呈明显的逆时针旋转趋势，表明该天线激发出了右旋圆极化辐射波。槽的尺寸为：Dx＝31 mm，Dy＝36 mm，Lx＝12 mm，Ly＝7.5 mm，K1＝10.25 mm，K2＝13 mm，W1＝1 mm，Cr＝6 mm。经过不断地仿真和优化，正方形辐射贴片的边长S最终确定为41 mm（≈0.44λg），与传统的方形天线（边长近似为0.5λg）相比，面积减小了22%。辐射贴片表面开槽的长度L1S＝13.3 mm，宽度W1S＝1 mm，若以方形天线中心为原点，则馈电点坐标为（7.5，7.5），接地板边长为70 mm。

图2　天线表面电流比较

2　实验结果与分析

天线板材选用双面FR4介质基板，其相对介电常数εr＝4.4，损耗角正切值tan δ＝0.02，厚度h＝1.6 mm。S11和轴比的仿真与测试结果如图3所示，从图3可看出，仿真和测试结果吻合良好，S11＜-10 dB的带宽为64 MHz（4.06%），3 dB轴比带宽（圆极化带宽）为17 MHz（1.08%），在中心频率1.575 GHz处轴比为0.55 dB，呈现出了良好的圆极化特性。

图3　S11和轴比的仿真与测试结果

圆极化天线在实际制作时，由于加工误差和介质的不均匀性会导致圆极化频率偏离中心频率，此时方便快捷地调谐圆极化频率使其准确地落在工作频点上尤为重要。在其他参数不变的情况下，圆极化频率随地板中心处方形槽尺寸的变化如图4a所示，由图4a可见，调节方形槽的尺寸可改变圆极化频率，且对天线圆极化性能的影响非常小。不同Cr值的Smith圆图如图4b所示，由图4b可以看出，当Cr从5.5 mm增大到6.5 mm时，输入阻抗的偏移量很小，从而保证了微调圆极化频率的有效性。

地板处2对非对称窄槽的相对位置Dx、Dy对轴比的影响如图5所示，由图5可知，Dx从29 mm增大到33 mm时，圆极化性能发生了微小的改变，Dy略微减小时，轴比却从0.55 dB变化到了2.5 dB，圆极化性能呈现出变差的趋势。

图4　不同Cr值的轴比和Smith圆图

图5　Dx和Dy的变化对轴比的影响

W1的变化对S11和轴比的影响如图6所示。

图6　W1的变化对S11和轴比的影响

由图6可知，W1从0.5 mm变化到1.5 mm时，对S11＜- 10 dB的带宽影响甚小，圆极化频率随W1的增大向低频段偏移，当W1＝1.0 mm时圆极化性能最佳。2对非对称窄槽的长度Lx和Ly对S11和轴比的影响如图7、图8所示。

图7　Lx的变化对S11和轴比的影响

图8　Ly的变化对S11和轴比的影响

对比发现，Lx和Ly的变化均对S11＜- 10 dB的带宽影响很小，随着Lx、Ly的变化，圆极化频率均向低频偏移，从圆极化性能上看，Lx从12 mm变化到10 mm以及Ly从7.5 mm变化到9.5 mm时，3 dB轴比带宽呈现出明显减小的趋势。

辐射贴片表面对角开槽的长度L1S的变化对S11的影响如图9所示。

图9　不同的L1S值对应的S11曲线

由图9可看出，对角开槽的长度越长，天线的谐振频率越向低频偏移，这是由于表面开槽使得电流路径变长。若过分增加辐射单元表面对角槽的长度，天线的有效辐射面积也会相应减小，这将会导致天线的增益和辐射效率的降低，综合考虑，对角开槽长度L1S取13.3 mm时最为适宜。

在微波暗室内用远场测试方法对该天线进行电性能测试。天线增益测试曲线如图10所示，中心频率处的增益为2.06 dBi，而且在该频点附近增益变化平缓。天线在中心频率为1.575 GHz时的实测方向图如图11所示，图11中，LHCP为左旋圆极化（left-handed circular polarization）；RHCP为右旋圆极化（right-handed circular polarization）。由图11可知，天线的半功率波瓣宽度为95°以上，轴向上的交叉极化隔离度大于20 dB，满足GPS天线的设计要求。

图10　天线的增益

图11　天线方向图

3　结束语

本文设计了一种易于调谐的小型GPS圆极化微带天线。该天线综合了开槽曲流技术、对角线单点馈电和地板开槽技术，实现了小型化和圆极化，地板上的开槽使其圆极化性能易于调谐。研究表明，简单地改变中心方槽的大小就能便捷地调谐圆极化频率，并且保持了良好的圆极化性能。该方案为天线组阵和改善开槽天线的圆极化性能提供了思路。

［参考文献］

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［3］Chen M，Chen C C.A compact dual-band GPS antenna design ［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12 （3）：245-248.

［4］Chen W S，Wu C K，Wong K L.Compact circularly-polarised circular microstrip antenna with cross-slot and peripheral cuts ［J］.Electronics Letters，1998，34（11）：1040-1041.

［5］Bao X L，Ammann M J.Compact annular-ring embedded circular patch antenna with cross-slot ground plane for circular polarisation［J］.Electronics Letters，2006，42（4）：192-193.

［6］Kuo J S，Hsieh G B.Gain enhancement of a circularly polarized equilateral-triangular microstrip antenna with a slotted ground plane［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，2003，51（7）：1652-1656.

［7］Baik J，Kim S，Kim Y.Circularly polarized microstrip antenna using asymmetric ring-sector slots embedded on the ground plane ［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2007，49（3）：602-604.

［8］Deshmukh A A，Tirodkar T，Ray K P.Analysis of slot cut multiband rectangular microstrip antenna［C］//2013 International Conference on Advances in Technology and Engineering （ICATE），2013：1-5.

［9］Zhang Q T，Jiao Y C，Ding Y.Design of a planar monopole multiband antenna with U-and L-shaped slots［C］//2011 IEEE International Conference on Microwave Technology and Computational Electromagnetics（ICMTCE），2011：455-458.

［10］钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1991：10-20.

［11］付灿，李民权，金秀梅.应用于多模卫星定位导航系统的宽带天线设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（3）：391-394.

（责任编辑闫杏丽）

Design of an easy tuning compact circular polarization microstrip antenna

ZHOU Dong，SUN Yu-fa，HU Shao-qi
（Key Laboratory of Intelligent Computing and Signal Processing of Ministry of Education，Anhui University，Hefei 230039，China）

Abstract：An easy tuning compact circular polarization microstrip antenna is designed.The size of the antenna is reduced by cutting the diagonal slots on the square patch.Two pairs of asymmetric narrow slots are loaded into the ground plane for circular polarization.To achieve the performance of easy tuning，an additional square slot is loaded into the center of the ground plane.A prototype of antenna is fabricated and tested.The measured results show that the value of axial ratio is around 0.55 dB and the axial ratio bandwidth is 17 MHz at 1.575 GHz in Global Positioning Systems（GPS），which effectively overcomes the influence of surface slots on the performance of circular polarization.Compared with the traditional antenna，the proposed antenna has the advantages of compact structure，easy tuning and good prospects for the applications.

Key words：cutting slot；circular polarization；microstrip antenna；Global Positioning Systems（GPS）；easy tuning

作者简介：周东（1989-），男，安徽安庆人，安徽大学硕士生；

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61172020）

收稿日期：2014-12-01；修回日期：2015-03-23

Doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.018

中图分类号：TN822.8

文献标识码：A

文章编号：1003-5060（2016）01-0094-05