一种新型小型化圆极化微带天线

一种新型小型化圆极化微带天线

徐晓强1徐军1何海丹2秦文奕2

1. 电子科技大学物理电子学院；

2. 中国电子科技集团公司第十研究所

摘要：提出一种单点馈电的小型圆极化微带天线，主要特点是选取高介电常数的介质基板和在圆形贴片上开四个槽减小天线的尺寸，在贴片边切角和在贴片的对角线上选择合适的馈电位置实现馈电圆极化，与采用同样介质的普通微带贴片天线（参考天线）相比工作在相同频率时天线有约20.6%的尺寸下降，同时天线的增益达到3.9dB。

关键字：小型化，圆极化，高介电常数，表面开槽，切角，微带天线，增益

A Novel Compact Circularly Polarized

Microstrip Antenna

Xu Xiao-qiang1Xu Jun1He Hai-dan2Qin Wen-yi2

1. University of Electronic Science and Technology of China

2. The 10th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract: A novel compact circularly polarized microstrip antenna is proposed. Using high relative permittivity substrate and four slots of equal arm lengths are embedded in the patch to low antenna resonance frequency, compared to conventional antenna of the same size. Circularly polarized (CP) radiation of microstrip antenna can be achieved by using a single probe feed at the diagonal line of the patch and truncating corners. The design can not only reduce antenna size greatly but also keep considerable gain. The of size antenna is greatly lowed by about 20.6% compared to a conventional CP designed antenna of the same size resonance frequency. The gain of Antenna is 3.9dB.

Key Words: compact, circular polarization (CP), high relative permittivity, slots, truncated corners, microstrip antenna，gain

1 引言

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:1. 圆极化天线可接收任意极化的来波,且辐射波也可由任意极化天线收到,故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线;2. 在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性;3. 圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转,因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

随着现代移动通信技术的发展，对手持终端天线，尤其是微带天线的尺寸、性能有了更高的要求，因此，国内外学者针对微带天线小型化技术已做了广泛而深入的研究。其中，减小微带天线尺寸主要有以下几种方法：一是采用高介电常数的介质，天线的谐振频率固定时，尺寸与εr成反比，介电常数增大，天线的尺寸将减小，但是微带天线的增益和带宽也随εr 的增大而减小，限制了此方法的应用；二是采用短路探针，附加短路探针并将其靠近馈电探针时，可以在很大程度上减小贴片尺寸，这是减小尺寸最明显的方法。其原理是利用短路探针和同轴探针之间形成强耦合，等效于一个电容加载，进行阻抗补偿，但是短路探针和馈电探针之间距离很近，对输入阻抗的特性影响非常敏感，不易加工和调试，另外这种天线的频带窄，增益低，因此也限制了其使用；三是在微带贴片上开槽以延长贴片表面的电流路径，从而降低天线的谐振频率，这是目前小型化技术中的主要方法，因为

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开槽不仅能够降低天线的谐振频率，而且还能够保证一定的增益和带宽，对天线性能的影响不大，也易于实现圆极化和双频双极化特性。近年来，已经研究发表了许多小型圆极化的微带天线，如在三角形微带贴片上开不等臂长的十字槽[1]或开不等臂长的Y形槽[2]；在圆形或方形微带贴片上插入一个缝[3]，或者四个不等长的缝[5]等，这些天线都实现了圆极化辐射且减小了天线的尺寸，然而以上这些天线都是单纯为了减小尺寸，尺寸下降可以达到50%，但是天线的增益通常较低。如在文献[5] 中介绍的微带天线，它是在天线的拐角处开了四个不等长的缝，并且还在拐角处切角，实现了圆极化。该天线的谐振频率下降了约20%，尺寸缩小了近36%，但是其增益却只有2.8 dB。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能之间折衷考虑。对圆形贴片[6], 当槽的长度与半径之比约为0. 622对应尺寸减小20 %时效果较好。其它形状天线可类比。

本文研究了一种新的小型微带天线，在给定的工作频率下，不仅缩小了天线的尺寸，还保证了较高的增益，而且实现了圆极化辐射，增益高于3.9dB，比采用相同介电常数的天线尺寸减小达20%。同时由于介质基板采用介电常数εr＝9.6，比采用低介电常数相同形式天线减少尺寸1/3。

2 天线结构与设计

如图1所示，天线是圆形的微带贴片，半径为R，介质高度为h，相对介电常数为εr，贴片边缘上四个相同的槽弯曲了贴片表面电流的路径，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。贴片边缘上的两个切角形成两个正交的谐振模TM10模和TM01模，再通过调整贴片边缘上槽和切角的长度以及在贴片上选择适当的馈电位置，使这两个模式简并，具有等幅度，并且有90°相差，从而实现了圆极化辐射。通过调整两个切角的长度D，同时调整边缘四个槽的长度L，并且在圆形贴片的对角线上选择合适的位置用阻抗为50Ω的同轴探针进行馈电，就可以获得的良好圆极化性能。如图1所示，在A点馈电，实现右旋圆极化，同样在A点关于轴线的镜像点B点馈电，就能实现左旋圆极化。

图1 天线的结构

由于天线的可调参数比较多，综合考虑天线的各个性能参数，把天线的开槽宽度固定为：w=1mm。使用相对介电常数εr=9.6，高度h=4mm的介质基板，用基于有限元法的商用软件HFSS对该设计进行了仿真计算，得到了一些有用的仿真结果。通过大量的仿真发现，在微带贴片边缘处开的四个槽对微带天线的工作频率有较大影响。相同贴片尺寸，槽开的越长，天线的谐振频率越低，即改变槽的长度对改变天线的谐振频率有更明显的效果。槽的宽度也对天线的谐振频率有影响，槽越宽，天线的谐振频率越低，但是频率下降并不是很明显，轴比将受到影响。在微带贴片边缘上切角对天线的轴比影响较大，随着贴片上开槽长度增加,实现天线圆极化所需的切角变大。由于贴片中心未开槽,馈点由中心到边缘可使输入阻抗从低到高获得良好匹配。对天线加工时的公差要求降低。

仿真结果如表1所示。表中天线的结构尺寸为半径R=20mm，底板的半径为36mm。从表中看到天线一相对于参考天线频率下降了10.6%，也就是说，该天线设计能够使天线相比较于相同工作频率的参考天线有约20.6%的尺寸下降。由于介质基板采用介电常数εr＝9.6，比采用低介电常数相同形式天线减少尺寸1/3。（注：参考天线为采用相同介质基片的圆形贴片天线，半径为22.5mm，圆极化轴比较佳。）

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