微带天线圆极化技术概述与进展

图6
小型化口径耦合 12345
口径耦合的圆极化微带天线的特点是： ) 5 无需 焊点， 用于阻抗匹配的可调参数多， 馈电可用空间 大， 允许制作复杂馈线网络。* 5 贴片与馈线所在基 片的分离使其可分别采用不同材料， 易获得宽频带。 馈线的寄 / 5 其辐射部分与馈线部分借接地板隔开，
33.
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多元法
使用多个线极化辐射元， 有 并 馈 或 串 馈 方 原理与多馈点法相似， 只 式的各种多元组 是将 每 一 馈 点 都 分 别 对 一个线极化辐射元馈电 合， 可看作天线阵
单元天线位置的 合理安排
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新型圆极化微带天线
表面开槽的圆极化微带天线 在贴片表面开槽或细缝时， 切断了原先的表面
电流路径， 使电流绕槽边曲折流过而路径变长， 贴片 等效尺寸相对增加， 谐振频率降低， 可使天线小型 化。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相 位差 %&’ 的极化简并模， 还可形成圆极化辐射或双 频工作。
［);］ 图 1 为另一种耦合槽 ， 天线依靠耦合槽长度
的差异 （ !" ! !# ） 实现圆极化辐射， 圆极化带宽为 ) 5 贴片上的十字槽使尺寸减小 **7 。 4/7 ，
图" 表面开弯槽 （#$%& ’()&’） 型
文献 ［)*］ 在贴片周边开四个 + 型或 , 型槽， 利 （ 0） 谐振在 用 +-). 和 +-/. 模实现双频工作。天线 带宽分别为 . 5 6)7 、 )1/)-23 和 /./4-23， ) 5 .17 ， 尺 寸 减 小 /97 ； 天线 （ : ）谐 振 在 双频 比 ) 5 648， 带宽分别为 ) 5 ).7 、 )9/*-23 和 *44*-23， ) 5 .87 ， 双频比 ) 5 ;99。 这类天线的特点是：) 5 随槽的长度增加， 天线 谐振频率降低， 天线尺寸减小。* 5 天线尺寸的过分 缩减会引起性能的急剧劣化， 其中带宽与增益尤为 明显， 而方向图影响不大， 因此开槽需在小型化与性
!
摘
要
圆极化微带天线在无线应用中扮演着重要角色。本文论述微带天线圆极化
技术， 简要概括微带天线圆极化方法， 接着重点分极当前出现的多种新型圆极化微带 天线及进展， 最后讨论了发展趋势。圆极化微带天线将不断推陈出新， 以满足愈加广 泛的应用需求。 关键词 微带天线，圆极化 +,&’" 文献标识码 中图分类号
D
引
言
等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。
顺应近代电磁学的发展与无线应用的众多需 求， 天线技术历经百余年发展仍充满盎然生机。微 带天线作为一维小型化天线， 以其低轮廓、 可共形、 易集成等颇具特色的优点近年来在天线开发应用中 独占鳌头。而高性能圆极化微带天线在当前的应用 愈加广泛。圆极化天线的实用意义主 要 体 现在： 且其辐射波 ! B 圆极化天线可接收任意极化的来波， 也可由任意极化天线收到， 故电子侦察和干扰中普 雷达的极化分集工作 遍采用圆极化天线； ’ B 在通信、 和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正 交性； （如平面、 球面等） % B 圆极化波入射到对称目标 时旋向逆转， 因此圆极化天线应用于移动通信、 I;G
图!
表面开槽的圆极化贴片天线
能量耦合至准方形贴片， 使用低介电常数基片展宽 频带， 得到 =>? 带宽 （ < ) 5 1） 为 )/ 5 ;7 ， 圆极化带宽 达 * 5 17 。文献 ［ )9］ 采用方形贴片， 靠长度不等的 十字槽 （长度比为 ) 5 *6） 实现圆极化， 基片使用常规 材料 （介电常数 8 5 8） 获得圆极化带宽 ) 5 8/7 ， 增益 变化小于 ) 5 1@A。
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （)""*!"’"） ； 上海市博士点建设基金资助项目
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第 >4 卷
表! 类型 产生机理 基于空腔模型理论， 利用 单馈法 简并 模 分 离 元 产 生 两 个 辐射 正 交 极 化 的 简 并 模 工作
微带天线圆极化方法 设计关键 确定几何微扰， 即 选择简并模分离 以及恰当的馈点 馈线网络的精心 设计 优点 无需外加的相移 网络和功率分配 本低， 适合小型化 可提高驻波比带 馈电 网 络 较 复 缺点 带宽窄， 极化性 能较差
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文章编号
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微带天线圆极化技术概述与进展
薛睿峰 钟顺时
（上海大学通信与信息工程学院，上海 ’"""*’）
［)8］ 变， 谐振频率略有浮动 （ < ) 5 *7 ） 。若在贴片中
心开槽， 可能会受阻抗匹配的限制。 1 5 结构简单， 成本低廉， 加工方便。 可见， 在贴片表面开槽， 能使天线小型化， 并实 现双频工作或圆极化辐射， 但随之而来的增益和带 宽的降低限制了其应用。 "5! 口径耦合馈电的圆极化微带天线 口径耦合馈电的微带天线， 交叉极化电平低， 易
图! 微带天线单元的基本圆极化方式
在方形贴片正交方向分别开长度不等的两对
［0］ 槽， 并沿贴片对角线馈电， 可形成圆极化辐射 ， 其
任一圆极化波可分解为两个在空间、 时间上均正交 的等幅线极化波， 由此得到实现圆极化天线的基本 原理： 产生两个空间正交的线极化电场分量并使二 者振幅相等 （即简并模） ， 相位差 %&’。尽管圆极化天 线形式各异， 但产生机理万变不离其宗。反映在史 密斯圆图中， 两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出 现一个尖端 （()*+） 。 对天线性能的理论分析， 除基于空腔模型的传 统方法外， 矩量法 （ ,’,） 和时域有限差分法 （ -.!.） 两种数值方法成为主流。快速多极子算法和遗传算 法、 神经网络的引入加速了天线的优化。各种商用 软件的开发使复杂天线的设计变得简单。 当前圆极化微带天线的发展已不只是要求实现 圆极化工作和保证带宽， 而且要求小型化和双频段 甚至多频段。
缺点是圆极化的实现依赖于两对槽长度的细微差 异， 对制造公差要求苛刻。在常规圆极化微带天线
［1］ 表面引入十字型槽能使天线小型化 ， 但当尺寸减
小 2&3 以上时， 由于贴片中心开槽、 馈点接近中心 而无法用探针馈电。
［4， 5］ 图 2 结构 改进了上述天线。随槽的长度增
加， 实现圆极化所需的切角 （ +678+967:; ()<*） 变大 （分 别示为 #7、 ， 公差要求降低； 贴片中心未开槽， 馈 #;） 点由中心到边缘可使输入阻抗从低到高获得良好匹 配。相对于参考天线， 两天线尺寸分别减小 0&3 ， 但带宽 （均为 & / 53 ） 、 增益都明显下降。另一 "13 ， 方面， 切角的加大会给频率的调谐带来负面影响。 图 " 所示天线， 表面开槽使尺寸减小 02 / =3 ， 但
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［%］ 带宽不足 >3 。
三角形贴片具有在固定频率的物理尺寸较矩 形、 圆形小的特点。类似地， 可在等边三角形贴片表
［>&］ ［>>］ 面开长 度 不 等 的 十 字 型 槽 或引入激励槽线
第8期 （ !"#$ %&’(!） 以产生圆极化辐射。
薛睿峰等： 微带天线圆极化技术概述与进展
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Baidu Nhomakorabea
获得宽频带匹配， 适于圆极化设计及制作阵列。这 些优点导致此类天线近年来倍受青睐。 口径耦合微带天线可采用图 ) 中的各种贴片单 元实现圆极化， 且同样可在贴片表面开槽以减小尺 寸。 耦合槽在缝隙耦合天线中扮演重要角色， 它决 定电磁能量耦合的强弱， 常用的有直线槽、 十字槽 （图 8） 。文献 ［)1］ 中采用长度相等的十字槽将电磁
［)/］ 能之间折衷考虑。对圆形贴片 ， 当槽的长度与半
图*
十字交叉耦合型 （ +,)’’-’()&-+)./($0） 12345
径之比约为 . 5 9**， 对应尺寸减小 *.7 时效果较好。 其它 形 状 天 线 可 类 比。 / 5 圆 极 化 带 宽 一 般 不 足 这是其主要缺点。由于带宽窄， 导致谐振频率 )7 ， 和圆极化性能的调谐困难， 制造公差要求高。8 5 馈 点往贴片中心移动， 输入电阻随之降低， 电抗基本不
’""!$!"$!)N ! 收稿日期：
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微带天线圆极化技术概述
［!］ 微带天线圆极化方法大致分为三类 ， 见表 !。 ［’ J (］ 图 ! 列出部分实现圆极化的基本方式 ， 分
别为： （ 4） 切角 （ >02?14>9: 170?90=） ； （ K） 准方形， 近圆 形， 近等边三角形； （ 1） 表面开槽 （ =37>= L =3/>=） ； （ :） 带 有调谐 枝 节 （ >2?/?E$=>2K） ； （ 9） 正 交 双 馈， 曲线微带 型， 行波阵圆极化节。 圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的 轴比。轴比不大于 %:M 的带宽， 定义为天线的圆极 化带宽。轴比将决定天线的极化效率。表征天线极 化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出。
实现形式 引入几何微扰， 方 案多样， 适于各种 形状贴片
结 构 简 单， 成 元的大小和位置， 器，
多个馈点馈电微带天线， 可采 用 ! 形 分 支 多馈法 由馈 电 网 络 保 证 圆 极 化 工作条件 或 "#$ 电 桥 等 馈 电网络
宽及圆极化带宽， 杂， 成 本 较 高， 抑制交叉极化， 提 尺寸较大 高轴比 具备多馈法的优 点， 而馈电网络较 为简化， 增益高 结构复杂， 成本 较高， 尺寸大
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第 )5 卷
生辐射弱， 天线的交叉极化电平低， 辐射方向图对 称， 从而保证较好的圆极化特性。需注意的是， 增加 基片厚度展宽频带时， 要加大槽的尺寸以获得阻抗 匹配， 这将导致后向辐射电平升高， 因此设计耦合槽 时应考虑耦合量与前后向辐射比间的关系。 !!! 共面波导馈电的圆极化微带天线 共面波导 （ "#$） 易实现与有源或无源器件的并 联或串联， 可增加电路设计的灵活性。近年来， 共面 波导馈电的微带天线 （ "#$%&） 另辟蹊径， 非常适合 制作有源天线及天线阵。 共面波导馈电的圆极化微带天线一种形式如图 （ ， ’ (） "#$ 导体带与辐射单元共面 。该天线由两 个辐射元产生圆极化所需的正交电场， 可视为二元 圆极化天线。这种天线的结构紧凑， 但馈线存在寄 生辐射。