一種以空氣為基板的圓極化微帶天線的設計

摘要：設計了一種以空氣為基板的超高頻(UHF)圓極化矩形微帶天線。該天線通過在微帶貼片四周與中心開槽，減小了天線尺寸，實現天線圓極化的性能。進一步研究了天線的參數對圓極化性能的影響，通過天線參數的優(yōu)化，使天線達到了良好的圓極化性能。
關鍵詞：微帶天線；圓極化；超高頻；縫隙天線

0 引言
    微帶天線由于獨特的結構和多樣化的性能，在各種無線電設備上得到了廣泛的應用。和常用的微波天線相比，微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體(如飛行器)共形等優(yōu)點。其中圓極化微帶天線，由于它能夠接收任意極化的來波，并且其產生的圓極化輻射波可以被任意極化的天線所接收，從而越來越受到人們的關注。用微帶天線產生圓極化輻射波的關鍵是產生兩個極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。
    本文研究了一種中心開槽的圓極化縫隙微帶天線，并用Ansoft HFSS軟件對天線性能進行分析，設計了一種超高頻圓極化微帶天線。

1 天線理論分析與設計
1．1 圓極化理論
    根據腔模理論可知，一個形狀規(guī)則的單片微帶天線由一點饋電可產生極化正交、幅度相等的兩個簡并模，但不能形成90°相位差。為了在簡并模之間形成90°相位差，需在規(guī)則形狀的單片微帶天線上附加一簡并模分離單元。當簡并模分離單元大小選擇合適時，對工作頻率而言，一個模的等效阻抗相角超前45°，而另一個模的等效阻抗相角滯后45°，這樣就形成了圓極化輻射。選擇合適的模分離單元的大小和位置以及恰當的饋電位置是設計這種圓極化微帶天線的主要內容。
    如圖1所示，圖1(a)表示矩形微帶天線的坐標位置；圖1(b)表示附加簡并分離單元△s的矩形微帶天線，其中饋電點在x軸或y軸上的矩形微帶天線稱為A型；饋電點在對角線上的矩形微帶天線稱為B型。

    對于B型一點饋電的矩形圓極化微帶天線來說，產生圓極化的簡并分離單元△s的大小為：
   
    式中：s為微帶貼片的面積；Q0為天線總的品質因數。
1．2 天線的設計
    利用HFSS軟件對天線進行建模，其模型如圖2所示。天線采用介電常數約為1的空氣作為基板。同時要折中考慮微帶天線的帶寬與效率，最后選擇介質的厚度為h=4 mm。貼片四周各開四個長度相等的槽，改變了貼片表面電流的分布，從而增加了天線的等效長度，降低了天線的諧振頻率，達到了減小天線尺寸的目的。同時，由于表面開槽使天線饋源激勵的表面電流集中于天線貼片的中心，此時在天線貼片中心引入
一個尺寸很小的槽來實現天線的圓極化性能。

    微帶天線槽的寬度對諧振頻率的影響很小，因此該天線的槽寬均為1 mm。

2 仿真結果
2．1 天線參數分析
    根據上面設計的天線，改變微帶貼片的長度，使其長度分別為120．2 mm，124．2 mm，128．2 mm時，諧振頻率與軸比帶寬的曲線如圖3，圖4所示。由這兩組曲線可知，諧振頻率與軸比帶寬均隨著天線尺寸的增大而減小，并對最小軸比有一定的影響。

    保持天線其他參數不變，改變中心槽的大小，使其分別為18．2 mm，22．2 mm，26．2 mm時，得到圖5，圖6所示的兩組曲線。由圖5可知，槽長對最低諧振頻率的影響極小，這一特性極利于天線頻率的調諧。而從圖6中可以知道，隨著中心槽長度的增加，最小軸比向左發(fā)生偏移。

2．2 天線仿真結果
    根據微帶天線的設計理論和數值分析，經過HFSS的優(yōu)化后得到該微帶天線尺寸為W=L=124．2 mm，邊槽長ls=36．5 mm，利用式(1)可以得出中心槽長為lp=22．8 mm。對中心槽的長度和寬度做適當調整，并選擇適當的饋電位置，最后得到較為理想的圓極化天線。如圖7～圖9所示，該天線中心頻率在926 MHz，帶寬達到14 dB。最小軸比達到0．8左右，在較寬的頻帶范圍實現天線的圓極化。

3 結論
    在微帶天線上加載縫隙，雖然可以減小天線尺寸，但同時也會減小天線的帶寬、降低天線效率。這就需要設計人員折中考慮兩者之間的矛盾。以介電常數很小的空氣作為微帶天線的基底，減小了縫隙對天線帶寬的影響，得到了性能較為良好的天線。