全向圆极化天线的研究

摘要
全向圆极化天线由于其具有圆极化辐射和全向辐射的双重特性，能比传统定向天线提供更大的信号覆盖范围，同时具有圆极化的抑制云雨干扰与抗多径反射特性，被广泛应用于遥感遥测、空间飞行器（飞机、导弹、火箭等）、广播电视系统和卫星定位等各个方面。

全球卫星导航定位系统（GNSS）在实际生活应用中所呈现的反应快、效率高、定位准确等特点，其应用己经深入人们的日常生活中。

为了提高卫星导航天线的覆盖面积，对于全向圆极化天线在需求巨大。

就目前情况来看，制约该类天线应用的主要问题是其阻抗带宽和轴比带宽过窄。

可以预见，小型化宽带全向圆极化天线将在未来的无线通信领域扮演不可或缺的角色。

本论文中介绍全向圆极化的研究背景和意义，分析全向圆极化天线的发展趋势和所面临的一些问题，归纳了目前全向圆极化天线的一些国内外的相关研究现状。

本论文的研究内容主要围绕全向圆极化天线的设计所展开，研究成果具有一定的创新性，在工程实践中也具有一定的意义。

本论文的创新成果具体为：
1、设计了一种基于单极子和环形枝节的全向圆极化天线，仿真和实测结果表明，该天线可以得到很好的全向圆极化辐射特性。

天线的尺寸为0.24λ0*0.24λ0*0.12λ0，该天线具有的10-d B回波损耗带宽和3-dB轴比带宽分别为4.4%和6.4%。

天线结构简单紧凑，可以在很大程度上减小天线的尺寸，满足特殊场合的小型化要求。

2、设计了一种基于十字交叉偶极子的全向圆极化天线，天线包含4个十字交叉偶极子和一个馈电网络，十字交叉偶极子的水平部分臂和垂直部分臂分别控制远场的水平极化和垂直极化电场，对该天线全向圆极化的工作原理进行了深入研究，天线具有的10-dB回波损耗带宽和3-dB轴比带宽分别为28.9%和17.9%。

3、设计了一种基于弯折偶极子的全向圆极化天线，天线包含4个弯折偶极子和一个馈电网络，通过把偶极子进行弯折，弯折偶极子的水平部分和垂直部分的电流分别控制远场水平极化和垂直极化，根据弯折偶极子的电流分布，分析水平远场水平方向和垂直方向的电场分布和90°相位差原理。

天线的尺寸为0.43λ0*0.43λ0*0.28λ0，具有的10-dB 回波损耗带宽和3-dB轴比带宽分别为38.7%和36.5%。

关键词：全向天线；圆极化；宽带；小型化；偶极子；
Abstract
Omnidirectional circularly polarized antennas are used commonly in modern wireless communication due to their CP property and omnidirectional radiation patterns. Circularly polarized radiation can inhibit the rain, fog interference and multi-path reflection. Meanwhile, the omnidirectional antennas can provide more signal coverage than the traditional directional antenna. Omnidirectional circular polarized antennas are widely used in remote sensing and telemetry, space vehicles (aircraft, missiles, rockets, etc.), radio and television systems, satellite positioning and other aspects. Global Navigation Satellite System (GNSS) has the property of fast response, high efficiency, accurate positioning and other characteristics, and has been widely used in people's daily lives. In order to improve the coverage area of the satellite navigation antenna, the omnidirectional circularly polarized antenna is in great demand. In view of the current situation, the main problem restricting the application of such antennas is that their impedance bandwidth and AR bandwidth is too narrow. It is foreseeable that miniaturized broadband omnidirectional circularly polarized printed antennas will play an indispensable role in future wireless communications.
In this paper, the background and significance of omnidirectional circular polarization are introduced. The development trend and the problems of omnidirectional circularly polarized antenna are analyzed. Some related research status of omnidirectional circular polarization antenna are summarized. The research work of this paper revolves around the design of omnidirectional circular polarized antenna, and the research results are innovative and have some significance in engineering practice. The innovation results of this paper are as follows: An omnidirectional circularly polarized antenna based on monopole and extended curved branches is designed. The simulation and experimental results show that the antenna can obtain good omnidirectional circular polarization radiation. With a size of 0.24λ0*0.24λ0*0.12 λ0 , the antenna exhibits a -10-dB impedance bandwidth of 4.4% and a 3-dB axial-ratio (AR) bandwidth of 6.4% in the horizontal plane. The structure of the antenna is simple and compact, and can meet small size requirements for special occasions.
An omnidirectional circular polarization antenna based on a crossed dipole is designed. The antenna consists of four crossed dipoles and a feed network. The horizontal part and vertical part of the crossed dipoles control corresponding part of polarized electric field. The
principle of omnidirectional circular polarization of the antenna is studied. The structure has the advantages of simple structure, good omnidirectional and wide bandwidth. The antenna has a 10-dB return loss bandwidth and a 3-dB ratio bandwidth of 28.9% and 17.9%, respectively
An omnidirectional circularly polarized antenna based on a bended dipole is designed. By bending the dipole, the horizontal part and vertical part of the bended dipoles control the corresponding part of polarized electric field. We can calculate the horizontal and vertical polarized electric field through current distribution and 90 ° phase difference principle. Then a compact and wideband omnidirectional circular polarized antenna can be obtained. With a size of 0.43λ0*0.43λ0*0.28λ0, the antenna exhibits a -10-dB impedance bandwidth of 38.7% and a 3-dB axial-ratio (AR) bandwidth of 36.5% in the horizontal plane.
Keywords: omnidirectional antenna; circularly polarized; wideband; dipoles;
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录.......................................................................................................................................... I V 第一章绪论 (1)
1.1 研究背景和意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.3 现状分析 (13)
1.4 论文的主要研究内容以及写作安排 (14)
第二章基于单极子和环形枝节的全向圆极化天线设计 (15)
2.1 引言 (15)
2.2 天线结构设计 (15)
2.3 参数分析 (21)
2.3.1单极子的直径 (21)
2.3.2单极子的高度 (22)
2.3.3环形枝节的长度 (24)
2.4 仿真与测试结果 (25)
2.5 本章小结 (27)
第三章基于十字交叉偶极子的全向圆极化天线设计 (28)
3.1 引言 (28)
3.2 天线结构设计 (28)
3.3 馈电网络 (32)
3.4 参数分析 (34)
3.4.1十字交叉偶极子水平部分长度 (35)
3.4.2十字交叉偶极子距离中心点的距离 (36)
3.4.3馈电网络部分的影响 (37)
3.5 仿真结果 (39)
3.6 本章小结 (41)
第四章基于弯折偶极子的全向圆极化天线设计 (43)
4.1 引言 (43)
4.2 天线结构设计 (43)
4.3 馈电网络 (50)
4.4 参数分析 (51)
4.4.1弯折偶极子水平部分和垂直部分长度比值 (51)
4.4.2弯折偶极子距离中心点的距离 (52)
4.4.2弯折偶极子的宽度 (53)
4.4.2馈电网络部分的影响 (54)
4.5 仿真与测试结果 (56)
4.6本章小结 (60)
结论 (62)
参考文献 (63)
攻读硕士学位期间取得的研究成果 (68)
致谢 (69)
第一章绪论
第一章绪论
1.1 研究背景和意义
根据发射和接收电磁波的方向性，一般可以将天线划分为定向天线和全向天线。

定向天线的指标要求是在实际需求的某个或者指定的多个方向上集中地发射和接收电磁波信号和能量，而在其他不需要的地方电磁波辐射抑制能力很强。

这样的天线可以提高电磁波能量的利用率，在需要电磁波辐射的地方的获得比较高的增益，常用于点对点通信。

全向天线[2-4]能把电磁波能量沿着水平面内全方位均匀覆盖辐射，并且在竖直面上的辐射方向图具有相应的波束宽度，常用于点对多点通信，常见的应用如广播电视系统[2]，移动通信[5-6]，射频识别[7]，信道检测[8]，卫星通信[9]和空间飞行器[10]。

由于全向天线辐射的电磁波信号和能量是沿着天线水平周围均匀辐射，对应的远场水平面方向图是圆形的，所以适用于多方向同时覆盖。

对于发射或者接收位置不确定，天线永久固定的情况，全向天线是常用的选择。

随着无线通信系统不断发展，对相配套的天线的性能指标日益提高，普通线极化天线在一些应用场合难以满足一些特殊的点对点通信的实际要求，因此从需求的角度看，圆极化天线对社会生活的重要性显的日益突出。

圆极化天线不同于线极化天线的主要优秀的特性如下[12-14]：圆极化天线和任意极化天线可以相互发射和接收信号；圆极化天线的左旋和右旋这两个旋向是相互正交的，两个旋向的电磁波极化隔离度高；圆极化电磁波经过障碍物发射后，其极化旋向会发生反转，这样反射回来的信号因为旋向反转不能被原发射天线接收，因而在实际应用中可以抑制云雨干扰与抗多径反射。

因而，圆极化天线在移动通信、毫米波通信、卫星通信和电子侦察等方面[15-18]得到了广泛的应用。

综合全向天线的360°全方位覆盖特点和圆极化天线抗干扰能力强的两大优点，全向圆极化天线在以下各个方面发挥的作用日益显著：在气象监控、遥测遥感系统中的应用，全向圆极化天线发射的电磁波能够克服电磁波穿透大气电离层发生的法拉第旋转效应，同时全向的辐射特性让天线发射和接收的检测和监控信号的损失降到很低的水平，提高准确度；对于一些运动的轨迹不固定，同时长期保持运动状态，运动轨迹具有随意性的设备，因为其空间方向具有不确定性，常见的有航天器、飞行器、轮船、汽车等，需要在各个不同的位置和方向都能接收到通信信号，因此全向圆极化天线是很好的选择；在广播电视系统中，全向圆极化天线的运用可以增加广播电视信号的传播和接收区域，减少信号盲区，并且可以有效地解决信号传播到终端出现的重影重音问题；在卫星
定位导航系统中，全向圆极化天线也得到广泛的运用，能够提高每一颗卫星天线的覆盖空间，对于终端，可以使任何角落都能接收到卫星传播的定位信号[19]。

卫星导航定位系统（GNSS）在实际生活应用中所呈现的反应快、效率高、灵敏度高等特点，在定位导航和测绘等领域获得了很大的进步。

目前，在全球形成了四大定位导航系统，包括美国的全球定位系统(GPS)、欧盟的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)和中国的北斗卫星导航系统（CNSS）[20-22]。

常见的GNSS天线的辐射方向是定向的，天线的最大辐射方向是在天线顶部方向[23-24]，其竖直方向的方向图为倒心形，最大辐射方向是沿着指定的方向，对于高速运动的设备搭载的天线，这样的常规天线就不能满足实际的应用要求指标，有些情况为了实现信号全范围的覆盖和接收，因此需要把天线的辐射方向变为全向，这样才能解决因为位置不确定导致电磁波信号无法发送和接收的问题。

随着全向圆极化天线在日常生活中的广泛应用，电子产品的不断发展，一个产品所具有的功能越来越多，而在消费电子领域人们对产品要求越来越轻薄。

这样，对全向圆极化天线提出了更高的要求，因而对这方面的研究越来越深入，近几年全向圆极化天线的发展主要是沿着宽带化、小型化发展[25]：
宽带化：常规的单馈的微带圆极化天线的阻抗带宽和轴比带宽一般比较窄[26]，因为微带天线是一种谐振式的低剖面天线，具有高Q值的特点，这使天线的工作带宽很难再再提高。

因为圆极化实现的条件比线极化苛刻，圆极化天线的轴比带宽往往会低于阻抗带宽，因此如何采用适当的方式提高天线的轴比带宽，是设计该类天线的重大难点。

小型化：随着集成电路的不断发展，轻便小型化是目前通信设备的发展方向，因此对应的天线的尺寸也必须小型化[27]，把剖面降低，尺寸变小，因此在天线的性能不变的情况下设计出更小型化的天线是如今发展的趋势。

目前对全向圆极化天线小型化的研究成果比较多，各有特点，用微带天线能实现低剖面，但是平面尺寸比较大，总的来说小型化往往带来某些方面性能的缺失，因此在小型化后保持良好的全向圆极化性能的天线研究也是一个需要重点研究的课题。

1.2 国内外研究现状
正是因为全向圆极化天线拥有这么多的良好的特性，目前国内外对于全向圆极化天线研究和创新也是比较多，主要为了解决宽带和小型化的问题。

根据之前的研究，从天线结构原理上分析，其实现方法主要有三种。

第一章绪论
1）利用能够定向辐射圆极化波的天线单元，在空间上把它们组合到一起，每个定向圆极化天线单元负责一个方位，设计一个馈电网络给多个圆极化天线单元等幅同相馈电，使多个圆极化天线一起辐射工作，由于多个圆极化单元辐射叠加，从而能进行全向覆盖[29-32]。

在文献[29]中，如图1-1所示，通过设计一个一分八的馈电网络，给八个微带圆极化天线同时馈电，每个微带天线覆盖一定的角度范围，八个微带天线的辐射方向图在远场同时叠加，从而产生全向圆极化辐射。

每个微带圆极化天线单元都是采用单馈法，通过在矩形微带天线中引入微扰，每个微带天线都能产生圆极化波。

天线的轴比随着微带贴片尺寸和扰动长度分段变化，最大轴比从10dB到1.5dB的范围变动。

如图1-2所示，为8个圆极化天线单元通过一个功分网络进行并联馈电的展开图，通过印刷在介质板上的功分器给印刷微带天线馈电。

由于本身这种单馈微带圆极化天线的带宽本身就是比较窄，所以多个单元叠加起来的天线整体带宽也是比较窄。

图1-1 微带圆极化天线单元环列在圆柱介质板上
图1-2 八个微带圆极化天线单元阵列展开图
文献[30]提出利用缝隙阵列天线实现高增益的全向圆极化天线，如图1-3所示，天线包含馈电、匹配和辐射部分，匹配部分包含三段半径和长度都不同的同轴金属柱，为了和半径更小的馈电探针匹配连接，采用了半径渐变的同轴馈线。

缝隙阵列是由一对对
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的相互垂直的缝隙对构成，缝隙对中一个与水平方向呈45°摆放，另外一个与水平方向呈-45°摆放，两个缝隙之间在空间中相互正交，这两个缝隙在沿着馈电轴的距离为四分之一个波导波长，因此馈电给这对缝隙时，它们的电流相位差为90°。

这样就形成了两个相互垂直而且相位相差90°，这样每对缝隙可以覆盖一个方位，在对应的四个方位上产生圆极化波。

通过在同轴的圆周方向放置4个缝隙对，这一个圆周的4个缝隙对的辐射方向图在远场经过叠加从而获得全向圆极化波。

为了进一步提高天线的增益，天线使用了多排这样的缝隙阵，通过多个缝隙阵的叠加，产生比较高的增益。

天线实物图如1-4所示，天线的阻抗带宽为16.4%和轴比带宽为14.5%，在水平方向的增益大于5dBic。

图1-3缝隙阵列天线的结构图
图1-4缝隙阵列天线的实物图
李融林教授等人利用本身能实现很宽轴比带宽的矩形环[28]来实现宽带圆极化全向
天线[31]，其结构如1-5所示，这个宽带全向圆极化天线是由一个带有宽带巴伦的馈电网路和四个印刷矩形环天线圆极化单元组成。

根据天线理论知识，当一个闭合的金属环的周长近似为一个波长构成的天线，为驻波天线，其极化方式为线极化。

如果在这个环的某个位置开缝断开，变成中间某段开路的天线环，则环上的电流为按行波分布，天线的
第一章 绪论
极化方式由线极化变化为圆极化。

为了增加每个矩形环圆极化天线单元的带宽，每个天线单元里面都添加了寄生环，通过这些寄生环提高带宽。

在单个圆极化天线单元实现后，通过把4个这样的圆极化单元排列组合起来，印刷在一个柔性介质板上面，然后把这个介质板弯曲地卷起，形成一个空心的圆柱介质板，分别让每个矩形环覆盖每个方位角。

因为单个圆极化单元的轴向方向为两个，并且两个轴向的旋向刚好相反，为了只在一个方向辐射，在空心圆柱里面增加了一个金属反射柱。

然后再设计一个宽带功分器，把输入功率一分四等幅同相地给四个圆极化天线单元馈电。

一分四的馈电网络设计在空心圆柱介质板里面，是由四个宽带巴伦和一个阻抗匹配电路组成，其中宽带巴伦部分是由一个末端开路的L 型微带线枝节和介质板另一侧的地面引出的槽线组成，通过槽线和微带线之间耦合作用获得比较宽的阻抗带宽。

天线尺寸为0.390λ*0.390λ*1.630λ，得到的阻
抗带宽为45%和轴比带宽为41%。

图1-5 对四个矩形环等幅同向馈电的宽带圆极化全向天线
2）使用自身能全向辐射电磁波的天线单元，如偶极子和单极子，在该天线单元上加载寄生单元、圆极化器等，从而产生全向圆极化波。

常用的产生全向辐射的天线包括偶极子、单极子或者其变形结构，因而一般都是垂直极化天线，然后在这个天线单元周围加载寄生单元，这些寄生单元能够把原来的电磁波分解为两个空间相互正交的极化波，并且两者远场的相位相差90°[33-34]。

文献[33]采用一个垂直的套筒偶极子和三个45°斜放置的寄生单元，如图1-6所示，每个寄生单元与中间的套筒偶极子相差大约为中心频率对应的四分之一波长。

当中间的
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套筒偶极子工作的时候，倾斜的寄生单元被中间套筒偶极子平行的场分量激发。

此时，可以把套筒偶极子竖直方向产生的场分量分解为两个垂直的倾斜分量，加上与套筒偶极子相距四分之一波长的寄生单元的电场分量，可以把这个天线看作是一对二元八木天线阵列，套筒偶极子与相应倾斜寄生单元方向分别组成一个二元八木天线，而且该二元八木天线的相位中心为套筒偶极子与倾斜寄生单元的中点位置，所以两个八木天线阵列距离为四分之一个波长。

在阵列轴向方向上，两个八木天线的电流幅值相等，空间垂直，在阵列轴方向上，空间的相位差为90°，所以能在阵列方向产生圆极化波。

通过3对这样的环绕在套筒偶极子的倾斜寄生单元，从而产生全向圆极化。

图1-6 包含一个套筒偶极子和三对倾斜寄生单元的全向圆极化天线
潘咏梅教授提出了一个鸟巢型介质全向圆极化天线[34]，天线包含一个同轴馈电探针和一个圆极化器。

同轴馈电探针位于地板中间，圆极化器是由围绕着探针的寄生平行六面体高介电常数介质单元，这八个介质单元倾斜地围绕着探针的周围。

同轴馈电探针相当于是单极子，辐射垂直线极化波，外围的鸟巢形的介质单元可以把垂直极化波分解成两个相互垂直的极化波，由于寄生的平行六面体介质的介电常数比较高，介质中传播的电磁波滞后于空气中传播的电磁波，因此会产生一定的相位差，通过调节介质单元的介电常数和尺寸来控制穿过介质部分电场的相位和幅值，使两个相互垂直的电场拥有90°的相位差，同时两者电场幅值相等，从而实现全向圆极化辐射。

得到的天线的阻抗带宽为41%，轴比带宽为54.9%，有效工作带宽为41%，电尺寸大小为0.90λ*0.90λ*0.430λ。

第一章 绪论
图1-7 基于鸟巢介质的全向圆极化天线
3）采用多个天线的组合，比较经典是利用环天线-偶极子模型，偶极子天线部分产生垂直极化波，环形天线产生水平极化波，利用环天线和偶极子在水平远场自然产生的90°相位差。

对于偶极子模型的实现有两种方法，一种是利用常规的偶极子或者单极子
[35-39]，另一种方式是利用微带天线的高次模[40]，利用具有单极子辐射方向图的高次模谐振，再加上环形枝节作为电流环[41-45]，这样的天线的剖面会很低，但是尺寸会大一些。

文献[35]中利用加载了圆盘的单极子和四个印刷环状偶极子天线构成水平全向圆极化天线，如图1-8所示，单极子天线产生垂直极化的波，四个印刷环状偶极子天线产生水平极化的波，两者叠加，从而产生全向圆极化。

通过调节介质板上面微带线长度调节90度的相位差，通过改变偶极子距离地面的距离和单极子长度，使水平极化和垂直极化的幅度一样。

天线的中心频率在2.4G ，天线尺寸为0.530λ*0.530λ*0.0880λ。

得到的阻
抗带宽为4.49%，轴比带宽为5.94%。

图1-8 单极子和水平偶极子的全向圆极化天线
如图1-9所示，文献[36]中天线的辐射体部分刻蚀在两个基片上面，每个基片上面的辐射体包括一个圆形金属贴片和六个环形枝节。

通过给加载圆盘的单极子馈电，同时单极子还看作是馈电网络的一部分激励并联的导线，环形枝节部分作为传输电流部分产生的辐射在远场相互抵消，沿着基片圆周部分的环形枝节一起构成一个环天线，单极子
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和偶极子的辐射效果相同，这样就能等效为环天线-偶极子模型，通过控制环天线的半径和偶极子的长度实现电场的等幅度，从而实现圆极化全向辐射。

内导体馈电给通过单极子给上层的贴片，再经过环形金属带，通过短路柱流到底层的环形金属带，最后到地面，形成一个回路，由于流向环形金属带的两条路线的电流相反，在远场产生的场相互抵消，从而形成一个近似的环天线，上面的电流近似同幅同相，所以等效为磁偶极子。

单极子和每段导线构成半波谐振，因此单极子和环形天线的电流相位是同向的。

通过调整偶极子的高度和并联导线的数量，远区场的水平和垂直分量都可以进行调整，以实现圆极化的全向辐射。

天线尺寸为0.490λ*0.490λ*0.0820λ得到的阻抗带宽为13.8%，轴比
带宽为17.5%。

图1-9 单极子和电流环的全向圆极化天线
李融林教授等人提出的基于倾斜振子的宽带圆极化全向天线文献[37]，结构如图1-10所示，天线由四组倾斜偶极子构成的辐射部分和馈电网络两部分构成。

辐射单元被刻蚀在柔性介质板上，再把介质板卷成圆柱形状。

对于每一组倾斜偶极子，旁边都寄生了一个金属带，作为寄生单元，用于提高带宽。

在空心圆柱介质板里面设计一个一分四带有宽带巴伦的馈电网络，给四个倾斜振子馈电。

倾斜振子在远场产生的电场可以分解为垂直分量和水平分量，所以四个倾斜振子可以分解为四个垂直分量电场和四个水平分量电场的叠加。

对于远场的任一点，水平方向的电场只由端射方向的水平偶极子产生，旁边的两个水平偶极子产生的电场相互抵消，天线所在水平面上对称的两个反向电流组成的天线阵产生的水平电场与垂直分量电场在相位上差90°，因而辐射的垂直、水平极化电场自然产生 90°相位差，通过调节偶极子的倾斜的角度和介质板半径使水平极化和垂直极化的电场等幅，当其幅度相等时，两正交极化波在远场叠加可产生全向圆极化波。

天线尺寸为0.370λ*0370λ*0.40λ，得到的阻抗带宽为61%和轴比带宽为44%。

第一章 绪论
图1-10 基于倾斜偶极子的宽带圆极化全向天线
文献[38]提出了一个紧凑型基于弯折单极子的全向圆极化天线，如图1-11，天线包含4个弯曲的单极子，通过一个一分四的功分网络给四个单极子进行馈电。

每个单极子的构成包括介质板上面的沿着介质板边缘的带状线和倒L 形铜线。

水平方向的电场由介质板上面的带状线和倒Ｌ形铜线沿着水平方向部分的电流共同产生，竖直方向的电场由倒Ｌ形铜线竖直部分的产生，水平方向的电场和竖直方向的电场在远场叠加，对于远场的的任一点，水平面上对称的两个反向电流组成的天线阵产生的水平电场与垂直线电流产生的垂直电场在相位上差90°，因而90度相移是由水平方向电流和竖直方向的电流在远场叠加自然产生，通过控制单极子水平方向，竖直方向的长度和半径，可以控制两个分量等幅，从而实现全向圆极化。

天线尺寸为0.220λ*0.220λ*0.0760λ，得到的阻抗
带宽和轴比带宽为3.56%。

图1-11 基于弯折单极子的全向圆极化天线。