基于十字形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线设计

基于十字形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线设计

作者：何越等

来源：《现代电子技术》2013年第19期

摘要：为了改善微带天线的带宽性能，提出了一种采用十字形缝隙作为馈电方式，利用三个Wilkinson功分器组成馈电网络的宽带圆极化微带天线的设计方法。讨论了构建这种微带天线的基本技术，借助HFSS仿真软件进行设计和验证。依据设计结果委托专业研究所制作了实物天线，测试结果表明，该天线的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别达到40.38%和20.7%，中心频率为2.6 GHz，测量结果与仿真结果吻合良好，为低后瓣和宽带圆极化微带天线设计提供了一种新的工程设计方法。

关键词：微带天线；圆极化；缝隙耦合； Wilkinson功分器

中图分类号： TN821⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）19⁃0077⁃03

0 引言

随着雷达，卫星通信，遥感等技术的发展，微带贴片天线被广泛地应用于蜂窝电话、全球定位系统和个人移动通信。由于其低成本，低剖面，易集成，结构紧凑，易于制造等诸多优点，微带天线在各个领域倍受青睐。但传统的微带天线也有频带窄，效率低，功率容量小等缺点[1⁃2]。

D.M.Pozar于1985年提出缝隙耦合馈电的微带天线[3]，主要有如下优点：缝隙耦合方式采用的是非接触的贴近式馈电，避免了传统探针馈电中引入的电感，并且在制造加工方面更为简单，也为多层介质、多层贴片以及构造天线阵提供了便捷；地平面存在于天线辐射层和馈电层之间，隔离了微带电路部分和天线辐射层，降低了馈电网络部分的辐射，也便于两部分分别进行优化设计；调节缝隙的尺寸和微带枝节透过缝隙的长度一般可以获得满意的匹配，并且缝隙相当于一匹配网络[4]，可以提供宽频带的驻波比特性。Vivek等人对不同缝隙的耦合情况作了分析计算[5]；除了缝隙耦合之外，多层贴片的堆叠设计也可增加天线带宽[6]。

为了产生圆极化，一般有单馈[7]和多馈两种方式，而多馈方式中一般又分为双馈和四馈。在缝隙耦合的微带天线中，双馈的方式一般是采用两条偏置的相互垂直的缝隙[8]，四馈则可以采用十字缝隙来馈电[9]。通常来说，单馈点的圆极化微带天线工作带宽较窄，两条偏置缝隙由于他们的不对称性会造成更高的交叉极化率，而十字缝隙耦合则可以较好地克服上述的缺点，实现较为理想的圆极化。

本文设计了一种十字形缝隙耦合的圆极化微带天线，贴片单元采用四路同时馈电，因而具有更好的对称性与稳定性；馈电部分采用3个Wilkinson功分器来实现幅度相等、相位正交的馈电。

1 天线设计

本文所设计天线的基本结构如图1，图2所示，主要由微带天线和馈电网络两部分组成，各部分参数符号已在图中标注。在十字缝隙的四个枝节处，分别有微带线对其耦合馈电，这四个耦合点由于功率相等，相位顺次相差90°，因此可得到较好的圆极化性能。微带线介质层采用较小的厚度和较高的介电常数，以增强介质对场的束缚来减小背向辐射和争取更多的走线空间。上层辐射层介质采用较厚的厚度和较低的介电常数来增加带宽。除了上方的辐射方向，天线的四周用金属腔包围，起屏蔽和抑制后向辐射的作用。

图1，图2中[L]为贴片尺寸；[h1]为辐射层高度；[εr1]为辐射层介电常数；[Wa]为缝隙宽度；[La]为缝隙长度；[Ls]为匹配枝节长度；[d0]为两相对馈电点的距离；[w]为微带线宽度；[h2]为微带线层高度；[εr2]为微带线层介电常数。

根据传输线理论，缝隙在一定程度上相当于槽线，能量首先从微带线耦合至槽线，再耦合到贴片辐射出去，因此调节缝隙的尺寸对于调节输入阻抗有较为明显的作用，缝隙长度增加，谐振频率下降，而调节缝隙宽度造成的变化不明显，且为了保证低的后向辐射，应选择一个较细的宽度。贴片在馈电处呈现的导纳则与贴片的尺寸和辐射层的高度有关。

为了不在正交的缝隙中产生激励，必须对十字缝隙进行平衡馈电，文献[10]中Pozar对这种馈电方式介绍了一种一般的方法，借用这种设计方法并在仿真软件中加以实现。馈电网络的结构如图3所示。馈电点的位置决定了耦合方式为磁耦合，由于对称相消的原因，某端口不会对相邻端口产生影响，但是能量会耦合到对面的端口，从而造成输入阻抗的改变，因此引入等效阻抗参数，定义如下：

由上式可知，在考虑端口匹配情况时，不再是原本一般情况下的S11，而是要[Γeff]达到最小值。因此，在HFSS等软件中进行仿真设计时须注意，应使其S11与S13的和为最小值才能达到总反射最小的目的。

为了方便优化，辐射层和馈电网络可以分开进行设计，利用HFSS.v13全波电磁仿真软件，可以较准确地得到结果。首先，对天线部分进行设计，通过调节缝隙长度，贴片尺寸，耦合馈电点的位置，以及微带枝节的长度，来使Γeff在工作频点处得到一个较小的值和一个较理想的带宽，可以认为此时天线有一个较好的匹配。然后，对一分四微带馈电网络进行设计，通过合适的微带线长度来合理设计威尔金森功分器和相位延长线，从而在四个端口获得幅度相等，相位相差90°的输出信号。

2 仿真及测试结果分析

通过在HFSS中优化，得出具有最佳性能的参数见表1。

图4为该优化参数下的天线加工实物。采用矢量网络分析仪Agilent N5230A测试其驻波比特性，与仿真结果的对比如图5所示，驻波比带宽达到了40.38%。方向图的测量结果如图6所示，由于采取了屏蔽壳体，后向辐射得以减少。图7，图8分别为天线的轴比和增益曲线，他们的性能在偏移中心频率以外急剧下降，这是由于馈电网络属于频变电路，随着波长改变，微带介质层中的功分器电路，相移电路以及匹配电路性能出现较严重的下降，因此优化馈电网络的带宽性能显得尤为重要。另外，由于采用了多个功分器网络，引入了较多的损耗因素，因此增益与传统微带天线相比略有下降，但是提高了对称性和相位中心的稳定性。

3 结语

本文探讨了一种十字形缝隙耦合馈电微带天线的设计方法，利用HFSS软件仿真并制作了实物，测试结果表明阻抗带宽和轴比带宽分别达到40.38%和20.7%，前后辐射比超过25 dB，实现了低后瓣和宽带圆极化天线的设计。

参考文献

[1] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[2] RICHARDS W， LO Y， HARRISON D. An improved theory for microstrip antennas and applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1981， 29（1）： 38⁃46.

[3] POZAR D M. Microstrip antenna aperture⁃coupled to a microstripline [J]. Electronics Letters， 1985， 21（2）：49⁃50.

[4] 张辉，张晓发，闫敦豹，等.基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J].电子与信息学报，2007，29（4）：991⁃993.

[5] RATHI V， KUMAR G， RAY K P. Improved coupling for aperture coupled microstip antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1996， 44（8）： 1196⁃1198.

[6] TARGONSKI S D， WATERHOUSE R B， POZAR D M. Wideband aperture coupled stacked patch antenna using thick substrates [J]. Electronics Letters， 1996， 32（21）：

1941⁃1942.

[7] AKSUN M I， CHUANG S L， Lo Y T. On slot⁃coupled microstrip antennas and their applications to CP operation⁃theory and experiment [J]. IEEE Transaction on Antennas and Propagation， 1990， 38（8）： 1224⁃1230.