小型圆极化微带天线设计

蔺玉珂 陈芋蓉 周瑶 王志远

摘要：与其他极化类型的天线相比，圆极化天线可以接收任意极化的来波，其辐射的电磁波也能被任意极化天线所接收因此其广泛应用于微信通信、射频识别、WLAN领域。文章基于研究了几种圆极化天线的设计方式，并采用耦合馈电的方式设计了一种小型化、大带宽、高增益的圆极化微带天线

关键词：圆极化;小型化;微带天线

中图法分类号：TN822 文献标识码 A

Designofsmall circularlypolarizedmicrostripantenna

LIN Yuke，CHEN Yurong，ZHOU Yao，WANG Zhiyuan

（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

Abstract： Compared with other polarization types of antennas？ circular polarization antenna can receive incoming waves with arbitrary polarization， and its radiated electromagnetic waves can also be received by antennas with arbitrary polarization. Therefore， it is widely used in the fields of wechat communication， RFID and WLAN. In this paper， HFvSvS is used to study the design methods of several circularly polarized antennas？and a circularly polarized microstrip antenna with miniaturization， large bandwidth and high gain is designed by coupling feeding.

Key words：circular polarization， miniaturization， microstrip antenna

1引言

在隨着时代不断发展，天线作为无线通信领域中的重要元器件之一，其应用场景变得非常广阔，其技术发展和实际应用也十分成熟。由于天线的发展趋向于小型化，因此天线小型化技术在如今这个技术时代的重要性不言而喻。通常情况下，微带天线的频谱带宽较窄，不同的馈电方式会对频带宽度产生不同的影响。微带线馈电的方式对频谱展宽有一定难度，此时可以将天线的馈电方式更改为耦合馈电。要改变天线的尺寸，在设计之初就要考虑适合的介质基板，不同材料的介质基板的厚度和介电常数都会存在差异，介质基板的介电常数会直接影响天线尺寸，介电常数越大，天线就更加趋于小型化，天线的带宽就会更小[1]。

当前，国内外大多数学者为实现天线小型化，普遍采用高介电常数的介质基板方式;为实现圆极化功能，普遍采用常见的方形贴片切角和双馈方式。这两种方式无论是在实现原理上还是在成品工艺制作难度上都是人们普遍认可的。为了让天线在收发信号的同时提高可靠性和传输效率，国内外学者都会采用天线阵的贴片组合方式来提高天线增益，馈电网络结构模型基本采用威尔金森功分器进行能量传输和分配。由于天线的应用范围很广，为了满足各种需求，微带天线由窄带通信逐渐变为宽频带通信。由于微带天线具有频带窄的特点，国内外学者都在探讨如何拓展天线的频带宽度。如今，使用较多的频带拓宽方式为变更馈电方式，即由传统的微带线馈电变为同轴线馈电，甚至是耦合馈电。

2圆极化微带天线的馈电方式

2.1微带传输线馈电

微带传输线馈电装置制造简便，馈线的辐射会对其波形和增益造成一定的干扰，而且条形馈线中的额外电容会增加更多的电抗，从而降低工作频段。因此，通常需要使微带馈线的宽度w不能变得更宽，并且期望w<<λ，从而需要具有更高的特征阻抗Zc、更低的衬底厚度h以及合适地增加电介质常数。微带馈线可以与相关元件直接连接或插入元件的内侧，从而达到期望的阻抗值，因此，可以通过适当地选取馈送点位置来完成天线的输入阻抗与馈线特征阻抗的配合。

2.2同轴线馈电

同轴线馈电方式具有很好的隔断和防护能力，这使得馈电元件与辐射元件相对独立，因此可以改善其整体性能。同时，可以将馈电点置于所需的位置，以方便配合。该馈送方式的缺陷在于必须在介电衬底上穿孔，同时要将探测器与微带片焊接在一起，造成结构不统一，制造起来也比较烦琐[2]。

2.3电磁耦合馈电

电磁场耦合馈电是使用与贴片相邻但未连接的微带传送线向材料供能（无接触激发机构），微带贴片与介质基板可以共面或不共面。在非共平面的EMC馈电中，还可以在馈线与贴片中间加一条带有长方形槽的接地板，由狭缝供电。通过调节间隙大小，可以实现对馈电与贴片的柔性调节。通过调节缝隙的长宽间距，通常可以获得理想的匹配效果。

2.4口径耦合馈电

口径耦合馈电方式有以下特点：端口阻抗匹配程度较高，馈电点不需要进行焊点连接;辐射贴片单元通过介质基板和馈电结构相分离，馈电网络模型和电磁耦合的馈电方式有相似之处，即都是通过耦合方式进行馈电;电磁耦合主要采用介质板的开槽对缝隙的尺寸进行调整，可以获得较高的匹配程度，同时可以获得理想的频带宽度，这也和口径耦合馈电不谋而合[3～5]。

3口径耦合馈电圆极化微带天线的设计

3.1辐射贴片尺寸计算

天线带宽为2.9GHz～3.3GHz，中心频点为3.1GHz，则工作波长λ=96.8mm。使用具有4.4的介电率和0.02的正切率的FR4作为天线基板，天线单元采用微带线缝隙耦合馈电的微带贴片天线。

天线单元间距取0.5倍波长，则单元介质基板长宽为sub_l=sub_w=50mm，介质基板高度sub_h取1.6mm。根据微带天线的相关理论，经验公式为了使增益最大，对Lp有要求：

（1）

考虑介电界面和气体界面时，为了简化，该体系可以将介电常数直接用作介电常数λg是Wp宽的微带线对应的导波波长，hp为辐射贴片与缝隙间厚度（考虑空气填充时），计算ΔL时hp单位必须是mm，c是真空光速，εr是支撑贴片的介质的相对介电常数。更简单的公式为：

（2）

此时，理论上能得到较大增益，带入数值计算，得贴片长度patchl=22.6mm。而Wp对增益没有影响，但会影响带宽和阻抗。为了防止激励高次模，通常取WP≤LP，因为要设计圆极化，则贴片应该为正方形，patch_l=WP=LP=22.6mm。

缝隙的长Ls和宽Ws，没有经验公式，建议Ls取为1/4至1/2导波波长（即约Wp/2～Wp之间），Ws约为Ls的1/5。则缝隙长和宽slot_l×slot_w=15mm×3mm。横截面视图中，一般取hp>hf，εp<εf。该结构中，两个衬底均采用FR4作为衬底，而下部FR4衬底的高度为上部的二分之一，衬底的下衬底的厚度为0.8mm。馈线宽度采用50欧姆的特性阻抗，利用微带线计算工具计算，微带线宽度为line_w=1.515mm。

馈线伸出缝隙的长度Lstub对阻抗匹配和辐射增益可能有影响。缝隙应位于馈线上电流最大的地方，馈线开路，开路处（末端）电流为0，回退四分之一波长处电流最大。因此，图中的Lstub应近似取为馈线上导波波长的四分之一。考虑边缘效应，等效长度略长于实际物理长度，故Lstub可近似取为Lstub≈0.23λg，f。当然，这是经验值，可以通过仿真做进一步优化。初始馈线伸出缝隙的长度取line2_l=13mm。

3.2耦合馈电HFSS建模

缝隙耦合馈电的方式虽可以实现天线的宽频带，但牺牲了天线的增益，满足高增益的天线需要通过阵列的方式来实现，阵列天线对于天线的尺寸很难把握，必定对小型化设计有一定难度，此时需要采用口径耦合的馈电方式进行设计优化[6～8]。口径耦合馈电模型设计原理和电磁耦合型馈电实现原理相同，只是在矩形口径设计上存在差异。其上下两层介质板仍采用介电常数4.4的环氧树脂板，端口激励方式为波端口激励模式，实现圆极化方式采用贴片切角，金属贴片和两层介质板的电导体设置为理想电导体，模型设计如图1所示。

3.3耦合馈电HFSS仿真

天线性能的主要衡量指标包括阻抗带宽、增益、轴比、方向性、电压驻波比等（图2～5），主要是通过HFSS仿真得到上述数据。

4结论

圆极化微带天线的设计方式主要有单片切角和使用功分器等，传统、单一的微带线馈电或同轴线馈电方式难以获得较大的阻抗带宽和较高的增益，采用阵列天线设计方式能有效扩展阻抗带宽，但是其辐射性能远远比不上单片天线，而且阵列天线设计将大大增加天线尺寸。本文采用口径耦合馈电方式的多层天线结构设计，天线尺寸与单片天线差异不大，但很好地扩展了阻抗带宽，并且从方向图来看，辐射性能较好，同时实现了较大的增益。

参考文献：

[1]陈月盈.宽带双频圆极化微带天线设计[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[2]ChenM，ChenCC，Acompactdual-bandGPSantennadesign[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2013，（12）：245-248.

[3]陳兆丰，潘锦.应用于北斗和GPS的双频小型圆极化极化微带天线[J].电子科技，2014，27（12）：116-119.

[4]宋小弟，冯恩信，傅君眉.一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现[J].西安电子科技大学学报，2009，36（6）：1108-1113.

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[6]刘克诚，宋学诚.天线原理[M].长沙：国防科技大学出版社，1989.

[7]方金鑫.圆极化微带天线的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2015.

[8]叶喜红.宽带宽波束圆极化天线的小型化理论与设计研究

[D].北京：北京理工大学，2015.

作者简介：

蔺玉珂（1980—），硕士，副教授，研究方向：激光通信、电子信息技术。