一种宽带圆极化数字型缝隙天线的设计
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摘要：本文设计了一种新型的微带共面波导馈电的圆极化平面缝隙天线。此天线由宽的数字“0”型缝隙、共面波导馈线和微带馈电网络组成，前两者都是在介质板上表面的金属上开缝完成，后者则在介质板的另一面布线完成。通过合理的设计微带馈电网络给共面波导馈电 ，可以在其上产生一个奇数模和一个偶数模，同時完成两个模式的90°相位差。通过此微带与共面波导之间的转换电路给缝隙天线馈电从而实现宽带圆极化天线。详细研究了圆极化天线的机理和各个参数对它的影响。通过仿真验证3dB轴比带宽可以达到29%，-10dB反射系数带宽为53%。
关键词：缝隙天线;圆极化天线;宽带
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0163-03
0 引言
圆极化天线由于其在发射和接收电磁波时能够避免极化损失和缩减多路径效应而被广泛应用于各种通信系统中。圆极化的电磁波是由两个正交的等幅以及相位差90°的电场矢量共同激励形成，而平面传输线的相位对于工作频率非常敏感，所以设计宽带圆极化天线的一个的难点在于如何在一个宽带的范围内保证传输线输出两个相等以及相位差90°的矢量信号。
根据现有文献的结果，有很多贴片的圆极化天线实现方法被提出。微扰技术是普遍被使用的一种方法，例如支节加载法、切角法、在贴片上加载缝隙和多种馈电耦合等，但是这种方法所产生的圆极化天线3dB轴比带宽比较窄。为了提高圆极化天线的工作带宽，有些文献提出了多介质辐射层。例如带有两个空气层和三个介质层的缝隙耦合正方形贴片天线能够获得相对9%的3dB轴比带宽[1];带有两个空气介质层，3dB轴比带宽达到19%的H形状贴片天线[2];拥有厚的空气层和阶梯T形馈电的正方形贴片天线，3dB轴比带宽达到30%[3]。但是，这类天线的横截面都比较高，而且结构相对来说比较复杂。
通过共面波导给只有一层介质板的缝隙平面天线馈电，也是一种被广泛研究的方法。例如通过L型带状线给正方形缝隙天线馈电，带状线被放置在正方形的两个对角线上，此天线可以获得17%的3dB轴比带宽[4]。还有通过共面波导给内部两个金属环馈电的正方形缝隙天线，其3dB轴比带宽可以达到17.2%[5]。还有一种采用共面波导给一个正方形缝隙天线馈电从而产生一个双极化的天线[6]。
本文提出了一种新型微带共面波导馈电的平面缝隙天线，此天线具有宽带和圆极化辐射的特点。文中设计了微带到共面波导的转换，实现了共面波导奇数模和偶数模之间的90°相位差。通过这些奇数模和偶数模给一个矩形缝隙天线馈电，可以在一个宽的带宽内实现天线的圆极化辐射。这个圆极花天线结构简单，易于加工实现，成本低。
1 天线结构和设计
图1为天线结构图。矩形缝隙的长度和宽度为Ls和Ws，作为辐射窗口被蚀刻在辐射板的上表面。有一个共面波导的金属带一直申到缝隙天线的内部，给矩形缝隙馈电。天线的另外一面被这微带馈电网络给占据，微带网络由两个分支组成。左边的分支被称为微带转共面波导分支，它可以在共面波导缝隙里面产生偶数模，这种偶数模能够激励矩形缝隙，产生水平极化的电磁波。而另外一个分支横穿过共面波导的缝隙，在其里面产生一个奇数模，能够激励矩形缝隙产生垂直极化的电磁波。通过合理的优化两个分支的距离和匹配，从而使两个正交极化的信号同时具有相同幅度和90°相位差，进而实现得圆极化的辐射特性。
整个天线的谐振频率由Ls和Ws的尺寸决定，B1和B2能够控制两个模式的相位差，而通过调节L1和L2的尺寸能够影响两个分支的阻抗匹配从而影响整个天线的工作带宽。
2 参数分析
本文对影响天线轴比和反射系数的关键参数进行了深入研究，为后续加工实现提供了重要的参考意义。
图2展现了B1对轴比和反射系数的影响，从图中可以得出B1主要影响轴比带宽的两端，而对反射系数的影响主要在低频段，经过优化，最终确定B1为31.7mm。
图3展现了B2对轴比和反射系数的影响，可以得出B2主要影响轴比带宽的高频端，而对反射系数的影响在低频端，经过优化，最终确定B2为41.2mm。
图4展现了L1对轴比和反射系数的影响，可以得出L1对整个轴比带宽影响都比较大，而对反射系数的影响却比较小，经过优化，最终确定L1为32mm。
图5展现了L2对轴比和反射系数的影响，可以得出L2对天线轴比带宽和反射系数影响都比较小，经过优化，最终确定L2为42.9mm。
3 仿真结果
经过优化最终所得天线的轴比和反射系数曲线如图6所示，从图可以得出本文所设计的天线从1.19GHz至2.05GHz达到了-10dB反射系数，其相对带宽达到53.1%。天线的3dB轴比带宽为1.47GHz～1.97GHz，可以达到29.1%。
4 结语
本文设计了一种新型宽带圆极化天线，并通过仿真验证此天线具有比较宽的工作带宽和轴比带宽。文中提出利用共面波导双模工作而实现宽带圆极化辐射的新方法，其原理是利用两种馈电方法，在共面波导缝隙里同时产生一个奇数模和偶数模，通过控制两个模的幅度和相位差，从而可以获得比较理想的圆极化辐射波，最终天线小于-10dB的反射系数带宽可以达到53%，3dB轴比带宽可以达到29%。整个天线结构简单，加工方便，应用前景广阔。
参考文献
[1] A.Buffi.Single-feed Circularly Polarized Aperture-coupled Square Ring Slot Microstrip Antenna[J].Electron.Lett，2010（2）：268-269.
[2] K.L.Chung.A wideband Circularly Polarized H-shaped Patch Antenna[J].IEEE Trans. Antennas Propag，2010（10）：3379-3383.
[3] P.H.Rao.Wide-band Linear And Circularly Polarized Patch Antenna Using a Printed Stepped T-feed[J].IEEE Trans.Antennas Propag，2002（5）：356-361.
[4] Y.B.Chen.CPW-fed Broadband Circularly Polarized Square Slot Aantenna[J].Electron Lett，2006（9）：1074-1075.
[5] K.M.Chang.A Novel Design of CPW-Fed Square Slot Antenna with Broadband Circular Polarization[J].Microwave and Optical Technology Letters，2006（11）：2456-2459.
[6] Y.Li.A Dual Polarization Slot Antenna Using a Compact CPW Feeding Structure[J].IEEE Antennas wireless Propag，2010（2）：191-194.
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