一种新型V型槽圆极化微带贴片天线

尹继亮



一种新型V型槽圆极化微带贴片天线

尹继亮

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

提出了一种基于非对称V型槽加载的探针馈电圆极化单层钻石形微带贴片天线。通过调节V型槽的槽宽、槽长、开槽倾角及馈电点位置可实现微带贴片天线的圆极化辐射。研究了V型槽尺寸对微带贴片天线性能的影响。结果表明：介质厚度为0.0510（0为中心工作波长）时，天线的阻抗带宽大于9%（VSWR≤2），圆极化带宽为3%（AR≤3），最大增益可达6.29 dBi，最小轴比小于0.5 dB。

微带贴片天线；圆极化；轴比；探针馈电；V型槽；钻石形

圆极化天线能够接收任意线极化的电磁波，辐射的圆极化电磁波可以被任意线极化的天线接收，且圆极化天线可以有效减小多径反射的影响、抑制雨雾等气候引起的去极化效应，得到了广泛的关注。微带贴片天线具有质量小、成本低、尺寸小、易于加工制造等特点，在无线通信中应用广泛，如雷达、卫星通信、移动通信及导航系统[1-2]。但微带贴片天线属于谐振类天线，带宽较窄，限制了多数宽带无线通信系统对微带天线的应用。因此拓宽微带贴片天线的阻抗宽带及圆极化带宽成为微带贴片天线设计领域的热门问题。单个单层微带贴片天线的圆极化可以通过单点馈电或多点馈电实现[3]，多点馈电微带贴片天线圆极化带宽宽，但馈电网络设计复杂，对于应用于Ka及以上频段的天线设计起来更加困难，且馈电网络会引入额外的损耗；单点馈电微带贴片天线结构简单，但其圆极化带宽较窄。对于单点馈电微带贴片天线，通常是在方形贴片的对角线上开槽、在贴片角上加载枝节、对方形贴片进行切角或者加载非对称U型槽[4]，产生两个相邻的正交谐振模式，实现微带贴片天线的圆极化辐射。文献[5-6]提出了一种V型槽加载的钻石形微带贴片天线，其相对阻抗带宽达到了50%，但其只能辐射线极化波。

本文在文献[5-6]的基础上提出了一种新型的钻石形微带贴片天线，在钻石形微带贴片上引入非对称V型槽形成圆极化辐射。和普通微带贴片天线相比，本文提出的钻石形贴片天线更易于三角形栅格密集布阵。

1 天线结构及参数

对矩形微带贴片天线进行切角和开槽处理，其结构如图1所示。矩形贴片的长为，宽为，采用同轴探针进行馈电。微带贴片天线对于yoz平面基本对称，唯一不对称的为截顶V型槽，V型槽的两条臂长度不相等，V型槽的宽度为，V型槽左臂、右臂的长度分别为VL和VR，与轴的夹角为。V型槽距离贴片上边缘的距离为。馈电点距离贴片下边缘的距离为F，贴片下方为接地板，尺寸为G×G，接地板与贴片之间为介质基板，厚度为。采用相对介电常数r=2.2的微波介质基板，厚度选为=0.0510（0为中心工作波长）。

（a）天线俯视图

（b）天线侧视图

图1 天线结构模型

Fig.1 Geometries of the proposed antenna

当矩形贴片进行切角和加载V型槽后，贴片表面的电流路径受到了扰动，使主模分离为两个相邻的正交谐振模式。通过调节V型槽的尺寸、位置、馈电点的位置以及切角大小，使这两个相邻的谐振模式相互正交且相位相差90°，从而形成圆极化辐射。同时，由于两个谐振模式谐振点比较靠近，且达到了较好的匹配状态，从而大大展宽了微带贴片天线的阻抗带宽。通过调节V型槽的臂长，微带贴片天线可以获得良好的圆极化辐射特性，如果V型槽的左臂长度比右臂长度短，即（VLVR），则辐射右旋圆极化波。V型槽的左右臂与轴的夹角设为40°，微带贴片天线的其他尺寸参数如表1所示。

表1 天线各尺寸参数

Tab.1 Parameters of the antenna

2 天线仿真与分析

采用三维仿真软件ANSYS HFSS 15.0对微带贴片天线进行全波仿真分析。图2为微带贴片天线的电压驻波比随归一化频率的变化曲线。由图可见，天线在0.960~1.050（0为中心工作频率）频率范围内电压驻波比VSWR≤2，相对阻抗带宽为9%。图3为微带贴片天线的增益和轴比随归一化频率的变化曲线。由图可见，天线在0.9850~1.0150频率范围内轴比AR≤3 dB，相对轴比带宽为3%，天线的最大增益为6.29 dBi。

图2 天线电压驻波比曲线

图3 天线增益和轴比曲线

3 V型槽参数分析

影响天线性能的主要参数有贴片的大小与切角大小，V型槽的宽度、左臂的长度VL、右臂的长度VR、与轴的夹角为以及馈电点的位置等。借助仿真软件的参数扫描分析功能，对V型槽的左臂的长度VL、与轴的夹角为及截顶宽度V进行参数扫描分析，以研究它们对单元性能的影响。利用仿真软件的灵敏度分析功能，分析了天线加工过程中产生的误差对天线的谐振频率的影响。

3.1 V型槽左臂长度对天线的影响

保持天线的其他参数不变，改变VL的大小，分析对天线电压驻波比、轴比的影响。图4为V型槽VL的变化对天线电压驻波比的影响。图5为V型槽VL的变化对天线轴比的影响。

分析图4可知：随着VL的增大或减小，天线的VSWR逐渐恶化。当VL>0.0950或VL<0.0570时，天线在中心工作频率附近已无VSWR≤2的阻抗带宽；分析图5可知：当VL由0增大到0.0760时，天线圆极化特性变化较小，天线轴比最小值由偏高频逐渐向中心频率移动；当VL由0.0760增大到VR（0.1390）时，天线圆极化特性逐渐变差，当VL=VR时，天线变成线极化辐射（AR>41 dB）。

图4 VSWR随LVL的变化关系

图5 天线轴比随LVL的变化关系

3.2 V型槽与轴夹角对天线的影响

保持天线的其他参数不变，改变的大小，分析其对天线电压驻波比、轴比的影响。图6为V型槽与轴夹角的变化对天线电压驻波比的影响。图7为V型槽与轴夹角的变化对天线轴比的影响。

从图6可知：的变化对天线的高频段VSWR影响较大。从图7可知：随着的增大，天线轴比最小值向高频移动。

图6 VSWR随θ的变化关系

图7 天线轴比随θ的变化关系

3.3 V型槽截顶宽度对天线的影响

保持天线的其他参数不变，改变V的大小，分析对天线电压驻波比、轴比的影响。图8为V型槽截顶宽度V的变化对天线电压驻波比的影响。图9为V型槽截顶宽度V的变化对天线轴比的影响。

从图8可知：天线的VSWR对V的变化比较敏感。从图9可知：V的变化对天线轴比的影响很小。

3.4 加工误差对天线性能的影响

由于制造工艺水平的限制，实际生产的微带贴片总会存在一定的误差。在毫米波频段，由于频率高波长短，电性能对尺寸非常敏感，加工误差对电性能的影响不能忽略，必须考虑加工误差对谐振频率的影响。采用HFSS的灵敏度分析功能，分析天线加工过程中产生的误差对天线的谐振频率的影响。在众多参数中，对谐振频率的影响较大。目前印制板蚀刻工艺的加工误差为±0.025 4 mm，假定加工误差服从正态分布，的均值取0.3370，均方差取误差值的三分之一。计算天线在不同误差值下的谐振频率值。通过统计分析，谐振频率的均值为0，均方差0.002 10，相对于均值的偏离量百分比为0.21%。在±0.025 4 mm的误差范围内，谐振频率的最大误差百分比为0.51%。这一结果能被大多数的工程应用所接受。

图8 VSWR随WV的变化关系

图9 天线轴比随WV的变化关系

4 结论

研究了一种圆极化钻石形微带贴片天线，通过加载非对称截顶V型槽实现了微带贴片天线的圆极化辐射。结果表明，天线的相对阻抗带宽大于9%，圆极化带宽为3%。加工误差造成的谐振频率误差百分比最大为0.51%，能被大多数的工程应用所接受。所设计的天线可以直接应用于实际工程中，并可推广到要求三角形密集布阵的天线阵列设计中。

[1] BALANIS C A. Antenna theory-analysis and design [M]. Hoboken, USA: John Wiley&Sons, Inc, 2005: 70-80.

[2] KUMAR G, RAY K P. Broadband microstrip antennas [M]. London: Artech House, 2003.

[3] 薛睿峰, 钟顺时. 微带天线圆极化技术概述与进展 [J]. 电波科学学报, 2002, 17(2): 331-336.

[4] TONG K F, WONG T P. Circularly polarized U-slot antenna [J]. IEEE Trans Antenna Propagating, 2007, 55(8): 2382-2385.

[5] RAFI G, SHAFAI L. Wideband V-slotted diamond-shaped microstrip patch antenna [J]. Electron Lett, 2004, 40(19): 1166-1167.

[6] RAFI G, SHAFAI L. Broadband microstrip patch antenna with V-slot [J]. IEE Proc-Microwave Antennas Propagating, 2004, 151(5): 435-440.

（编辑：陈渝生）

Circularly polarized V-slot microstrip patch antenna

YIN Jiliang

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A new microstrip antenna with asymmetrical V-slotted diamond-shaped patch on a single-layer dielectric and probe feed was proposed. The circular polarization was achieved by tuning the width, the arm lengths, the arm angle of the V-slot and the excitation position. Effects caused by different parameters of the V-slot on the antenna were studied. The simulation results show that about 9% relative impedance band of VSWR≤2 is achieved when the dielectric thickness is about 0.0510(the center wave length). The 3 dB axial ratio bandwidth of the antenna is 3%. Moreover, the max gain of the antenna reaches 6.29 dBi and the best axial ratio is lower than 0.5 dB.

microstrip patch antenna; circular polarization; axial ratio; probe-fed; V-slot; diamond shape

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.014

TN823

A

1001-2028（2017）01-0072-04

2016-12-06

尹继亮（1984－），男，江西吉安人，工程师，硕士，从事相控阵天线技术研究，E-mail: jiliang_yin@163.com 。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.014.html

网络出版时间：2016-12-30 10:24:32