一种新型的低剖面双极化天线

武警工程大学信息工程系　刘子豪　朱永忠　周　建

一种新型的低剖面双极化天线

武警工程大学信息工程系刘子豪朱永忠周建

现代无线通信技术的迅速发展对双极化天线提出了许多新的要求。该文基于两个正方形辐射贴片，采用双线馈电的方式实现了一款用于2.4G频率的双端口的双极化天线，该天线的最大增益能达到11dB，并且两个端口对应两个极化方向是互相垂直。结果表明，本文提出的天线结构确实取得了很好的隔离。而且，该天线仅采用PEC作为设计材料，易于加工，低剖面，成本极低，对于商业应用是很有吸引力的。

低剖面；双极化；矩形贴片天线

1　引言

现代的无线通信系统要求更高的传输速度和可靠性。其中一种有效的方法就是利用双极化天线进行通信传输［1］。这种天线能够以两条不同且互不干扰的路径来传输信息，从而实现频谱复用。双极化天线具有很强的抗干扰性。双极化天线一般是由两个端口来产生不同的极化方向。然而，要实现极化方式之间的高隔离度和低交叉极化是设计双极化天线的瓶颈。如果双极化天线两个端口之间的隔离度达不到要求，从一个端口输入的信号就有一部分会直接从另一个端口反射回来，这样天线的效率就会变低，甚至导致天线不能使用［2］。

为了提高双极化天线两端口之间隔离度，目前已经有不少文献提出了不同的方法。例如，采用不同的耦合馈电方式［3］：口径耦合，探头直接或耦合馈电，或者两者的混合耦合馈电。在本文中，仅采用PEC材料进行设计，利用两个不同的馈电方式来对两个端口进行隔离，具有低成本、低剖面的优点。并且，从结果来看，此种隔离方法有良好的隔离特性。

2　天线的分析与设计

本文设计的天线主要以一块矩形贴片作为地板，采用了两个正方形贴片作为辐射源。为了使两个馈电端口的极化方向不同，天线两个采用了不同的馈电方式。两个馈线连接在矩形贴片的两条相邻的边上。并在馈线上使用了适当的弯折结构来使天线小型化。

图1　双极化天线的结构示意图

如图1所示，本文设计的天线主要采用了两个矩形贴片。为了使两个端口的辐射频率一致，把矩形两边长设为等长。并且，为了使在同一端口馈电下两辐射源的极化方向一样，端口1的馈线采用对称的弯折结构，而用端口2馈电时，其中一个馈线增加了“C”型馈线，目的是使得电波多旋转了180°，与另一个辐射源的极化方向一致。因此，在水平极化下，两者的馈电方式是一样的；而在垂直极化时，下方的馈电方式多旋转了180°。中间是空气介质。为了缩减天线的尺寸，在贴片正中央加入了短路针，各尺寸如表1所示。两个端口均采用50Ω作为输入阻抗。两层PEC材料厚度均为1mm。

表1　双极化天线的结构参数（单位：mm）

图2所示是两个端口的回波损耗和两个端口之间的隔离度。由图可以看出，端口1的阻抗带宽为2.41-2.63G，端口2的阻抗带宽为2.45-2.55G，在带宽范围内两个端口之间的隔离度小于-30dB。图5、6分别是端口1、2在中心频率2.5G仿真和实测的方向图。由此图也可以看出，实测的数据进一步验证的该模型的可用性。

图2　两端口的回波损耗和之间的隔离度的仿真和实测图

3　结束语

本文设计并制作了一款应用于2.5G频率的双极化天线，辐射单元采用了矩形贴片，整体制作只采用了PEC材料，成本极低，容易实现大规模生产，最高增益达到了11dB。实测与仿真的结果大致吻合，说明了这种天线设计合理，具有较高的商业应用价值。

［1］王红星，刘锡国，刘敏.一种新型低剖面、双频、双极化宽频带阵列天线的研究与设计［J］.微波学报，2006，06：40-44.

［2］梁仙灵，钟顺时，汪伟.高隔离度双极化微带贴片天线的设计［J］.电波科学学报，2006，05：731-734+755.

［3］Deng Changjiang，Li Yue，Zhang Zhijun，Feng Zhenghe.A Wideband High-Isolated Dual-Polarized Patch Antenna Using Two Different Balun Feedings［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：1617-1619.