一种双频双圆极化微带天线的设计

刘岳苹，李 飞

（眉山职业技术学院，四川 眉山 210000）

微带天线是一种常用的天线形式，通常是在微波介质板材上腐蚀出导体薄片，背部有金属层作为导地接地板。当在导体薄片和接地板之间有激励电场时，在接地板四周的缝隙中就会向外辐射电磁场[1]。微带天线的馈电方式一般有同轴馈电、微带馈电和耦合馈电等。微带天线是一种平面型结构，很适合与各类平面载体集成安装，也可将有源电路和微带天线一体化设计，优势更加明显。

如何提高通信系统的通信容量，增强抗干扰能力，一直是通信领域不断研究的方向。两个圆极化电磁波实现极化复用，可避免电离层法拉第旋转效应，并降低电磁波传输过程中的多径效应[2]。圆极化波是由两个等幅正交有90°相差的线极化波组成。左、右旋的圆极化波是互相隔离的，因此圆极化天线的旋向具备正交性。在电磁波传播过程中，碰到对称目标时，反射波就会变成相反的旋向[3]。

现代通信中，为提高通信效果，全双工的通信方式已经普遍应用在各种通信领域。天线作为通信设备前端的重要组成部分，必然要能够同时在收发两个频段工作。早期微带天线只能在很窄的频段上工作，支持收发两个频段比较困难。随着技术的进步，宽带、多频段天线已经越来越多地应用在通信中。降低微带天线的Q值、附加寄生贴片、采用电磁耦合馈电和附加阻抗匹配网络等都是拓展带宽的措施。多模单片法、加载单片法、几个贴片叠加在一起的多片法是实现微带天线多频段的常用手段。理论上，这些方法适合频率间隔任意大的双频微带天线[4]。

本文对一种双频双圆极化微带天线进行了仿真设计，详细描述了天线的基本原理和结构形式，并在三维仿真软件中进行了电磁场仿真。该天线采用单点馈电法[5]，在微带贴片上附加简并分离单元，使天线辐射圆极化波；两个贴片叠层放置，分别工作在不同的频段上，实现双频段。最终，天线可以同时辐射两个圆极化波，并且旋向相反。天线的结构非常简单，加工方便，成本低廉。

1 设计思想

微带天线通过同轴单点馈电实现辐射圆极化波，是基于空腔模型的理论。利用简并分离单元使天线的两个简并模同时工作，并且两个简并模极化正交，相位相差90°。此方法不需要任何外加的移相网络和功率分配器就能实现圆极化辐射。图1是圆形微带圆极化天线的一种简并分离单元。

图1 圆形微带圆极化天线的简并分离单元

简并分离单元和圆形微带圆极化天线的无加载Q0相对值由简化公式求得：

S是天线的面积，ΔS是简并分离单元的面积。

当简并分离单元ΔS加载在圆形微带贴片以后，两个被激励起来的极化正交的简并模的谐振频率发生了分离，它们的极化正交且幅度相等的正交模，相位差为±90°。通过调节ΔS的尺寸，圆形微带天线的工作频率将工作在两个简并模的模中间，圆极化波就会被辐射出去。

如图2所示，一大一小两个微带薄片叠加放置，下层贴片作为上层贴片的接地板，两个薄片分别在谐振在不同的工作频率。通过调节两个微带薄片的尺寸，可以是使微带天线工作在需要的两个频段。这种叠层结构可以看作两个并联谐振电路，偏离谐振的单元所呈现的阻抗很小如同短路，谐振单元的工作几乎不会受到非谐振单元的影响。

2 天线结构设计

图2是双频双圆极化天线的结构示意。天线分为一个在2 GHz工作的、比较大的圆形贴片和一个在2.2 GHz工作的、比较小的圆形贴片两部分。两个圆形贴片一大一小，上下两层放置。上层的圆形贴片工作在2.2 GHz左右，半径28.9 mm。下层圆形贴片工作在2 GHz左右，半径32.7 mm。两个贴片都在轴线上开两个矩形缝隙（简并分离单元），用来产生简并模。2 GHz圆形贴片的矩形缝隙宽4.9 mm，长10.7 mm；2.2 GHz圆形贴片的矩形缝隙单元宽8.9 mm，长6.5 mm。

天线采用同轴导体直接馈电，50 Ω同轴接头从导地地板向上穿过两层微波基板，与下层圆形贴片和上层圆形贴片直接相连。Rogers5880，相对介电常数2.2，厚度1 mm作为微带天线的介质基板。同轴线馈电点位置在下层贴片中心45°斜线上距离中心16.2 mm，上层贴片中心45°斜线上距离中心13.3 mm。

同轴线直接给微带贴片馈电，带宽较窄。本文在下层较大的微带贴片的馈电点周围，加载了一个圆环形的缝隙，同样上层较小的微带贴片的馈电点周围也这样处理。目的是为了扩展两个工作频段的带宽。下层的圆环形缝隙内半径5.5 mm，外半径9.2 mm，上层的圆环形缝隙内半径4.2 mm，外半径5.1 mm。

图2 双频双圆极化微带天线结构

3 仿真计算和分析

对双频双圆极化微带天线用三维电磁场仿真软件仿真分析，天线的回波损耗如图3所示。因为上、下一大一小两个贴片的尺寸相差不大，所以2 GHz和2.2 GHz的两个工作频段有一部分重合在一起。回波损耗显示该天线具有宽频带特性。

天线增益仿真曲线如图4所示，工作频带内增益大于7.7 dBi，最大增益8.55 dBi，出现在2.1 GHz时。

图5是天线轴比曲线，在2.0 GHz和2.2 GHz两个工作频点，轴比均小于2，当频率逐步偏离工作频段，轴比逐渐变化。在2.1 GHz时，天线辐射的电磁波已经可以看作线极化波。因此，天线只能在中心频点2.0 GHz和2.2 GHz的两个25 MHz的频带内工作在圆极化状态。

图3 微带天线的回波损耗

图4 微带天线的增益-频率的变化曲线

图5 微带天线的轴比-频率变化曲线

根据天线辐射方向图，2.0 GHz时天线增益为7.89 dBi，2.2 GHz时天线增益为7.74 dBi。图6是2.0 GHz天线增益方向，图7是2.2 GHz的天线增益方向。双频双圆极化微带天线的主辐射方向为0°，半功率波束宽度大于70°。最大增益点稍有偏斜，2.0 GHz最大增益有2°偏移，2.2 GHz最大增益有6°偏移。图8—9是2.0 GHz和2.2 GHz的天线轴比方向图，天线的宽角轴比性能非常好。

对比2.0 GHz时，天线辐射的左旋圆极化和右旋圆极化方向图，可以看出是以左旋圆极化为主。同时2.2 GHz时，是以右旋圆极化为主。图10是2.0 GHz左旋圆极化和右旋圆极化的方向图对比，实线是左旋圆极化方向图，虚线是右旋圆极化方向图。图11是2.2 GHz左旋圆极化和右旋圆极化对比方向。

图6 2.0GHz天线辐射方向

图7 2.2GHz天线辐射方向

图8 2.0GHz天线轴比方向

图9 2.2GHz天线轴比方向

图10 2GHz的左（实线）、右（虚线）旋圆极化增益方向图对比

图11 2.2GHz左旋圆极化（实线）和右旋圆极化（虚线）方向图对比

4 结语

本文设计了一款双频双圆极化微带天线，工作在2.0 GHz和2.2 GHz，每个频带的3 dB轴比带宽25 MHz，分别辐射在左旋圆极化波和右旋圆极化波。通过三维电磁仿真软件对天线进行了仿真分析，并给出了天线回波损耗、轴比、增益和方向图的仿真结果。可以看出本文采用的双层叠加的微带贴片可以工作在两个频段。同轴馈电通过圆环缝隙的形式进行扩展带宽是有效的。该天线结构简单，加工方便、可靠性高、成本低廉和性能良好，具有良好的应用前景。