圆极化方形环缝隙天线的设计

邢亚龙， 高 芸， 韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院， 山西太原 030006)

圆极化方形环缝隙天线的设计

邢亚龙， 高 芸， 韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院， 山西太原 030006)

本文提出了一个圆极化方形环缝隙天线. 通过在天线馈线层引入一个C型寄生单元， 使其在环形缝隙的对角处产生微扰， 将天线的基模分解成两个幅度相同且相位差为90°的简并模， 从而激发圆极化辐射. 天线的总尺寸为40 mm×40 mm×1.6 mm. 仿真和测量结果表明： 天线具有良好的辐射性能. 天线的阻抗带宽为22% (2.46～3.07 GHz)， 轴比带宽为2.2% (2.67～2.73 GHz).

缝隙天线； 圆极化； 寄生单元； 阻抗带宽； 轴比

0 引 言

随着无线通信的迅速发展， 通信系统对天线的要求越来越高. 缝隙天线拥有结构简单， 辐射效率高等优点[1]. 相较于普通的微带贴片天线， 缝隙天线有更宽的阻抗带宽和轴比带宽[2]， 小的制作误差对性能影响不是很敏感， 重要的是容易与无线通信系统终端集成[3]. 环形缝隙天线的电磁辐射场符合巴比特互补原则[4]， 可以有效降低天线总尺寸. 圆极化天线拥有可降低多径效应等特点， 可以在全平面内实现信号的传输， 而线极化天线只能在一个平面内进行传输[5]. 为了提高通信质量， 圆极化天线在无线通信、 雷达系统以及导航系统等领域得到了普遍的应用. 典型的圆极化天线是通过使用对称或者非对称的切角或微带扰动单元来得到幅度相同且相位差为90°的两个正交线极化模式来实现的[6]. 使用缝隙天线实现圆极化辐射则是近年来一个研究热点， C. J. Wang等人利用开路缝隙实现双频圆极化缝隙天线[7]； J. H. Lu等人利用C型和倒L型缝隙形实现了小型化圆极化缝隙天线[8].

本文设计了一种圆极化方形环缝隙天线. 通过在馈线层加入一个C型寄生单元， 改变环形缝隙周围的电流分布使其产生微扰， 最终激发了圆极化辐射. 同时， 环形缝隙的使用也减小了天线的尺寸. 实测的阻抗带宽为22% (2.45～3.07 GHz)， 轴比带宽为2.2% (2.67～2.73 GHz).

1 天线设计

本文设计的天线结构如图 1 所示. 天线包括3层， 上层是50 Ω微带馈线和C型寄生单元， 中间是介质基板， 下层为正方环形缝隙. C型结构的寄生单元影响了环形缝隙周围的电流分布， 使天线在x方向与y方向产生两个相位差为90°的正交线极化模式， 从而激发圆极化辐射. 选用相对介电常数为4.4， 损耗正切角为0.02， 厚度为1.6 mm的FR4介质基板. 利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真分析， 优化的参数为:W=L=40 mm,h=1.6 mm,lf=20 mm,l1=8.5 mm,l2=l3=24 mm,l4=10 mm,ls=21 mm,ws=2 mm,wf=3 mm,w=1.5 mm.

图 1 天线结构图Fig.1 Configuration of antenna

为了说明天线产生圆极化辐射的原理， 对天线缝隙周围的电流分布做了研究. 图 2 给出了天线频率在2.65 GHz， 相位分别为0°， 90°， 180°， 270°时的电流分布图. 从图2中可以看出， 天线在环形缝隙周围的x方向和y方向产生两个相位差为90°的正交线极化模式， 并且电流随着相位的增加顺时针旋转， 形成了左旋极化.

图 2 2.65 GHz电流分布.Fig.2 Current distribution of antenna at 2.65 GHz

2 参数分析

通过对天线进行敏感性分析， 正方环型缝隙的长度ls以及寄生单元的臂长l4是影响天线性能的主要因素. 为了便于结果分析， 在考察每个参数的影响时， 保持其他参数不变. 图 3 是ls对天线反射系数及轴比的影响曲线图. 由图可见， 随着ls的增加， 天线的谐振频率向高频偏移， 且阻抗带宽会变窄. 当ls=21 mm时， 轴比带宽达到最大. 图 4 是l4对天线反射系数及轴比的影响曲线图. 由图可见， 随着l4的增加， 天线的谐振频率会向低频移动， 轴比最低点也向低频移动.

图 3 ls对天线性能的影响 Fig.3 Effect of ls on antenna performance

图 4 l4对天线性能的影响 Fig.4 Effect of l4 on antenna performance

3 仿真和实测结果

天线印制在介电常数为4.4的FR4介质基板上， 图 5 为天线的实物图. 采用Agilent公司N5230A矢量网络分析仪测量天线的反射系数， 采用Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的轴比.

图 6 为天线的增益仿真图， 峰值增益为2.0 dBi. 图 7， 图 8 分别为天线的反射系数和轴比的实测和仿真图. 从几个图上看， 实测的数据和仿真数据趋势基本相同， 但实测的阻抗带宽和轴比带宽整体向高频偏移. 实测的阻抗带宽为22% (2.46～3.07 GHz)， 轴比带宽为2.2% (2.67～2.73 GHz). 产生的差异主要原因是实际制作的FR4材料的相对介电常数偏小以及加工过程中不精确导致. 图 9 为天线在xoz与yoz平面方向图， 从图9中可以看出天线具有良好的方向性.

图 5 天线实物图Fig.5 Photos of antenna

图 6 天线仿真增益Fig.6 Simulation gain of antenna

图 8 仿真和测量的轴比 Fig.8 Simulated and measured axial ratio

图 9 2.65 GHz的辐射方向图Fig.9 Simulated radiation patterns of the antenna at 2.65 GHz

4 结 论

本文设计了一个圆极化方形环缝线天线. 为了实现圆极化， 天线使用方形环缝隙， 并且在馈电层上加入了一个C型寄生单元， 使天线的基模分解成两个正交的简并模， 从而激发了圆极化辐射. 该天线具有成本低， 结构简单， 容易加工等特点. 实测结果表明： 天线具有较好的性能， 可以满足各种通信系统的应用.

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声 明

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Design of Circularly Polarized Square-Ring Slot Antenna

XING Yalong, GAO Yun, HAN Liping

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

In this paper, a circularly polarized square-ring slot antenna is proposed. AC-shaped parasitic element is introduced In the feed line layer, and the miniature miniature perturbations on the diagonal of the slot are generated, which can split the fundamental mode into two degenerate resonant modes with equal amplitudes and 90° phase-difference for CP performance. In which the radiation of circularly polarization is excited, the total size of antenna is 40mm×40mm×1.6mm. The simulated and measured results show that good radiation performance has been achieved. The impedance bandwidth of the antenna is 22% (2.45～3.07 GHz), and the 3 dB axial ratio bandwidth is 2.2% (2.67～2.73 GHz).

slot antenna; circularly polarization; parasitic element; impedance bandwidth; axial ratio

1671-7449(2017)01-0064-05

2016-09-27

国家自然科学基金资助项目(61172045)； 国家基础科学人才培养基金资助项目(J1210036)； 山西省自然科学基金资助项目(2012011013-3)

邢亚龙(1990-)， 男， 硕士， 主要从事微带天线的研究.

TN821+.3

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.011