1、    X波段寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計邵曉亮，鄒永慶(1安徽大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院安徽合肥230039；2華東電子工程研究所安徽合肥230031)0引言從微帶天線的概念提出以來，因具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，剖面低，易與載體共形等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、射頻識別、導(dǎo)航等領(lǐng)域。其中，圓極化微帶天線又因其能夠接受任意極化的來波，且其輻射的圓極化渡可以被任意極化的天線所接收的優(yōu)點而越來越受封青睞。微帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生幅度相等、相邵曉亮，鄒永慶(1安徽大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院  安徽 合肥  230039；2華東電子工程

2、研究所  安徽 合肥  230031)0  引  言從微帶天線的概念提出以來，因具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，剖面低，易與載體共形等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、射頻識別、導(dǎo)航等領(lǐng)域。其中，圓極化微帶天線又因其能夠接受任意極化的來波，且其輻射的圓極化渡可以被任意極化的天線所接收的優(yōu)點而越來越受封青睞。微帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生幅度相等、相位相差90°的兩個相互正交的線極化波，即產(chǎn)生兩個在空間和時間上都正交的線極化波。為達(dá)到上述要求，圓極化微帶天線在饋電方式上主要可以分為以下三種形式：單點饋電、雙點饋電或四點饋電。其中，單饋點圓極化微帶

3、天線不需要功分器和移相器等正交饋電網(wǎng)絡(luò)，因此結(jié)構(gòu)最為簡單，但缺點是軸比帶寬較窄。文獻(xiàn)5-8中分別采用了雙電饋電或四點饋電，不同程度地擴(kuò)展了圓極化軸比帶寬，但都具有饋線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點。文獻(xiàn)9采用方形切角貼片，利用層疊結(jié)構(gòu)取得了較寬的軸比帶寬，但其采用的是耦合饋電，且阻抗帶寬遠(yuǎn)低于本文提出的新型天線。本文在對上述結(jié)構(gòu)比較研究之后，通過在貼片表面開槽，并采用層疊結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計并仿真了一個X波段單饋點圓極化微帶天線，實現(xiàn)了天線阻抗帶寬于軸比帶寬的同時展寬。利用HFSS模擬仿真以及實測結(jié)果表明，這種天線在工作于9.7 GHz時，其阻抗帶寬達(dá)到了33%，軸比帶寬達(dá)到了13.9%，且采用了傳統(tǒng)的同軸饋電，

4、結(jié)構(gòu)簡單，易加工。1天線設(shè)計與分析微帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生幅度相等、相位相差90°的兩個相互正交的線極化波，即產(chǎn)生兩個在空間和時間上都正交的線極化波。本文提出的天線采用在貼片上開槽的方法實現(xiàn)上述要求。圖1為所設(shè)計的新型天線結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，該天線為層疊結(jié)構(gòu)，采用50 同軸探針饋電。上層貼片倒置于上層介質(zhì)板，下層貼片與接地板分別位于下層介質(zhì)板的兩側(cè)，上下兩層介質(zhì)板之間用空氣層隔開?？諝鈱拥囊胂喈?dāng)于增加了上層介質(zhì)板的厚度，因此減小了上層介質(zhì)板的相對介電常數(shù)，即降低了該微帶天線的Q值，從而達(dá)到了增加帶寬的目的。上層介質(zhì)板：厚度h1=0.5 mm，介電常數(shù)1=2.94；下層介質(zhì)板

5、：厚度h3=1 mm，介電常數(shù)3=2.9；空氣層高度h2=2.8 mm，2=1.000 6；總厚度為4.3 mm(約為0.1390)。上下兩層貼片都是采用在圓形貼片上開C型槽的結(jié)構(gòu)，C型槽由與貼片同心的兩道圓弧構(gòu)成。上層貼片為寄生貼片，半徑為R1；C型槽的內(nèi)外半徑分別為r1和r2。合理地調(diào)節(jié)r1和r2，使其諧振頻率與下層貼片相近，從而使天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都得到明顯提高。下層激勵貼片半徑為R2；C型槽內(nèi)外半徑分別為r3和r4。貼片尺寸根據(jù)空腔模型理論分析得出，由腔模理論可得，圓形微帶天線為Tmn模時的諧振頻率與貼片半徑間關(guān)系式：式中：xmn是n階貝賽爾函數(shù)的第m個零點，本天線工作于圓貼片微

6、帶天線的主模T11模，查表可x11=1.841；a是計入邊緣效應(yīng)的等效半徑，它與物理半徑口a的關(guān)系如下：由上述關(guān)系算出的貼片半徑與實際貼片半徑仍有偏差，這是因為在貼片上開槽的原因。該C型縫隙使貼片表面的電流發(fā)生了繞流，如圖2所示。從圖2中可以看出，電流流徑在縫隙附近發(fā)生了一些改變。這種縫隙對貼片表面電流流徑的擾動產(chǎn)生了下述兩個結(jié)果。(1)形成了圓極化輻射波。圓形微帶貼片天線在貼片上沒有加載縫隙的情況下，通常工作于主模TM11模；當(dāng)貼片表面加載C型縫隙后，貼片表面的電流流徑受到了縫隙的擾動，使主模分離為兩個相臨近的模式。調(diào)節(jié)縫隙的尺寸以及縫隙與饋點的相對位置，可以使這兩個模式相互正交且相位相差9

7、0°，從而形成圓極化輻射。圖1中，B點是A點關(guān)于C型縫隙的對稱點。通過調(diào)節(jié)，在縫隙的右下方A點饋電可以得到左旋圓極化。此時若改為在B點饋電，由于對稱關(guān)系，可得到右旋圓極化。(2)擴(kuò)展了阻抗帶寬。由于縫隙對電流的微擾作用，在天線的主諧振頻率附近形成了兩個諧振點。通過調(diào)節(jié)縫隙尺寸以及饋點位置可以使這兩個諧振點逐漸靠攏到一起，并達(dá)到較為理想的匹配狀況，從而展寬天線的阻抗帶寬。在設(shè)計了天線的各項幾何參數(shù)后，借助高頻仿真軟件HFSS 10，經(jīng)多次參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化仿真，得到了較為滿意的仿真結(jié)果。2仿真結(jié)果通過對天線各項參數(shù)的反復(fù)調(diào)整發(fā)現(xiàn)，激勵貼片上C型槽半徑對天線軸比帶寬影響較大。仿真結(jié)果如圖3所

8、示。由圖3(a)可以看出，保持C型槽寬度不變，隨著r3的增大，軸比的兩個最小值相互遠(yuǎn)離，從而天線3 dB軸比增加，但當(dāng)r3增大到一定值后，軸比的兩個最小值之間會超過3 dB。因此選擇r3=4.45 mm，r4=4.15 mm。此時，寄生貼片的半徑R，=6 mm，C型槽內(nèi)外圓半徑分別為r1=5.25 mm和r2=4.95 mm；上下兩層貼片上的C型槽寬度皆為0.3 mm，饋電位置為(-1.5，3)。圖3(b)，圖3(c)為天線VSWR和AR的最終仿真結(jié)果圖。由圖可以看出，3 dB帶寬為13.9，VSWR<2的阻抗帶寬達(dá)到35.4，天線工作在中心頻率9.7 GHz時，增益約為8.4 dB。圖3(d)為天線中心頻率E面和H面的方向圖。3結(jié)  語設(shè)計了一種新型的單饋電圓極化微帶天線。通過在貼片表