右旋圆极化矩形微带天线设计

右旋圆极化矩形微带天线设计

一、引言

大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。本文采用单点馈电。

我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B 点时，产生左旋圆极化波。

图1-1 单馈点圆极化矩形微带天线结构

二、结构设计

设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度：

2

1

2

1

2

-

+

=)

ε

(

f

c

W r(1)

其中，c是光速。

辐射贴片的长度一把取为2

c

λ，

其中

c

λ是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为：

L

f

c

L

e

∆

-

=2

2ε

(2)

其中，

e

ε是有效介电常数，L

∆是等效辐射缝隙长度，它们可以分别用下式计算，即为：

2

112121

2

1

-+-+

+=

)(w

h r r e εεε

)

.)(.().)(.(.802580264030412

0+-++=∆h w h w L e e εε

对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈电的位置会影响输入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。

根据相关研究和实际经验可以得到，图示1-1结构的50Ω馈电点位于辐射贴片对角线上，且馈电点和辐射贴片顶点的距离在(0.35~0.39)d 之间，也即馈电点距离辐射贴片中心的距离在（0.11~0.15）L (W )之间。

上述分析都是基于无限大参考地平面的基础之上，经过理论分析，实际中当参考地平面比微带贴片大出6h 的距离时，计算结果就可以达到足够的精确。

三、HFSS 模型建立与仿真结果 本文要求设计一个工作于3.72Ghz 的右旋圆极化矩形微带天线，其中介质基板的厚度为3mm ，相对介电常数为4.53，要求50Ω同轴馈电，实验中设定损耗角正切为0.001。

根据上述公式的计算，得到微带贴片的初始尺寸为L=17.7mm ，同轴内导体半径设置为0.65mm ，为标准SMA 接头。仿真中，设定变量L0、W0分别表示辐射贴片的长与宽，（L1，W1）表示馈电点坐标，且L1=-0.14L0，W1=0.14W0，仿真模型如图3-1所示。

图3-1 HFSS 模型

通过参数扫描与优化设计模块操作，确定最终的参数为：

贴片长宽之比为1.08，相差很小。 天线的S

11

参数结果如3-2所示：

图3-2 天线S 11参数

从S 11参数看以看到，贴片的中心频率为 3.82Ghz ，与设计所要求的3.72Ghz 有100Mhz 的频差，其原因将在后文阐述。

图3-3为该贴片天线的轴比图，从图中可以看到，其轴比最小点正好位于3.72Ghz ，且数值为0.35dB ，是一个纯净的圆极化波，一般工程中轴比小于3dB 即可当作为圆极化波，可以看

到，轴比带宽为：

%

...

.

)(88172

368

3753=-=

AR BW

图3-3 轴比扫频结果

图示3-4反应了增益的仿真结果，从图中可以得到，天线总增益为6.5367dB ，右旋圆极化增益为6.5329dB ，Theta 在-1100~900范围内，天线总增益与右旋圆极化波增益几乎相等，这也表明了天线辐射的是右旋圆极化波，同时最大辐射方向的左旋圆极化增益为-23.9541dB ，可见交叉极化很小，满足设计要求。

图3-4 增益方向图

图3-5显示了天线电压驻波随频率的变

化情况，从图中可以得到，其带宽为：

%....)(87872

360

3933=-=

VSWR BW

由此可见，对于圆极化天线，我们更加关注的是轴比(AR )带宽，而不是电压驻波比(VSWR )带宽，因为其更能反映该天线的工作特性。

图3-5 VSWR 扫频结果

图3-6显示了天线在xz 平面与yz 平面的右旋增益方向图。

图3-6 xz 和yz 平面右旋增益方向图

四、结果分析

从仿真结果中我们可以发现一个事实，就是如果天线谐振到 3.72Ghz ，那么它的轴比将会非常差，所以只能调整天线尺寸，使其稍微偏离谐振频点，从而激发两个正交的模式，实现天线的圆极化工作。