一种以空气为基板的圆极化微带天线的设计

摘要：设计了一种以空气为基板的超高频(UHF)圆极化矩形微带天线。该天线通过在微带贴片四周与中心开槽，减小了天线尺寸，实现天线圆极化的性能。进一步研究了天线的参数对圆极化性能的影响，通过天线参数的优化，使天线达到了良好的圆极化性能。
关键词：微带天线；圆极化；超高频；缝隙天线

0 引言
    微带天线由于独特的结构和多样化的性能，在各种无线电设备上得到了广泛的应用。和常用的微波天线相比，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体(如飞行器)共形等优点。其中圆极化微带天线，由于它能够接收任意极化的来波，并且其产生的圆极化辐射波可以被任意极化的天线所接收，从而越来越受到人们的关注。用微带天线产生圆极化辐射波的关键是产生两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。
    本文研究了一种中心开槽的圆极化缝隙微带天线，并用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析，设计了一种超高频圆极化微带天线。

1 天线理论分析与设计
1．1 圆极化理论
    根据腔模理论可知，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产生极化正交、幅度相等的两个简并模，但不能形成90°相位差。为了在简并模之间形成90°相位差，需在规则形状的单片微带天线上附加一简并模分离单元。当简并模分离单元大小选择合适时，对工作频率而言，一个模的等效阻抗相角超前45°，而另一个模的等效阻抗相角滞后45°，这样就形成了圆极化辐射。选择合适的模分离单元的大小和位置以及恰当的馈电位置是设计这种圆极化微带天线的主要内容。
    如图1所示，图1(a)表示矩形微带天线的坐标位置；图1(b)表示附加简并分离单元△s的矩形微带天线，其中馈电点在x轴或y轴上的矩形微带天线称为A型；馈电点在对角线上的矩形微带天线称为B型。

    对于B型一点馈电的矩形圆极化微带天线来说，产生圆极化的简并分离单元△s的大小为：
   
    式中：s为微带贴片的面积；Q0为天线总的品质因数。
1．2 天线的设计
    利用HFSS软件对天线进行建模，其模型如图2所示。天线采用介电常数约为1的空气作为基板。同时要折中考虑微带天线的带宽与效率，最后选择介质的厚度为h=4 mm。贴片四周各开四个长度相等的槽，改变了贴片表面电流的分布，从而增加了天线的等效长度，降低了天线的谐振频率，达到了减小天线尺寸的目的。同时，由于表面开槽使天线馈源激励的表面电流集中于天线贴片的中心，此时在天线贴片中心引入
一个尺寸很小的槽来实现天线的圆极化性能。

    微带天线槽的宽度对谐振频率的影响很小，因此该天线的槽宽均为1 mm。

2 仿真结果
2．1 天线参数分析
    根据上面设计的天线，改变微带贴片的长度，使其长度分别为120．2 mm，124．2 mm，128．2 mm时，谐振频率与轴比带宽的曲线如图3，图4所示。由这两组曲线可知，谐振频率与轴比带宽均随着天线尺寸的增大而减小，并对最小轴比有一定的影响。

    保持天线其他参数不变，改变中心槽的大小，使其分别为18．2 mm，22．2 mm，26．2 mm时，得到图5，图6所示的两组曲线。由图5可知，槽长对最低谐振频率的影响极小，这一特性极利于天线频率的调谐。而从图6中可以知道，随着中心槽长度的增加，最小轴比向左发生偏移。

2．2 天线仿真结果
    根据微带天线的设计理论和数值分析，经过HFSS的优化后得到该微带天线尺寸为W=L=124．2 mm，边槽长ls=36．5 mm，利用式(1)可以得出中心槽长为lp=22．8 mm。对中心槽的长度和宽度做适当调整，并选择适当的馈电位置，最后得到较为理想的圆极化天线。如图7～图9所示，该天线中心频率在926 MHz，带宽达到14 dB。最小轴比达到0．8左右，在较宽的频带范围实现天线的圆极化。

3 结论
    在微带天线上加载缝隙，虽然可以减小天线尺寸，但同时也会减小天线的带宽、降低天线效率。这就需要设计人员折中考虑两者之间的矛盾。以介电常数很小的空气作为微带天线的基底，减小了缝隙对天线带宽的影响，得到了性能较为良好的天线。