- 基于单贴片圆形微带天线的交叉口径耦合馈电天线模型设计

如图所示，R为贴片天线的半径。RP+XP为天线的辐射阻抗。ZCP为贴片的特性阻抗。γ为传输常数。由图中可以看出，ZP是由天线的耦合缝隙决定的。而这两个缝隙各自的阻抗可以由下式给出：

式中的z和k分别为缝隙的特性阻抗和波数。

两个缝隙各自的总的导纳为：

其中，nL1和nL2为贴片和缝隙之间的阻抗转化率，具体数值可以由下式给出：

总的输入电阻的计算公式为：

其中，Zcf、kj和t分别为微带馈线的特性阻抗和波数以及开路线的长度，n为缝隙和微带馈线之间的阻抗转换率。

因为天线的两个谐振模是由耦合缝隙的长度决定的，因此通过适当的调节十字缝隙的长度，便可以得到理想的圆极化。不等长的缝隙可以激励出两个相近的谐振模式，为了得到圆极化，这两个模式需要幅度相近而相位相差90度。当缝隙L1的长度大于缝隙L2时，可以得到右旋的圆极化，而当缝隙L2的长度大于缝隙L1时，左旋的圆极化便可以被激励出来。

3 天线参数的经验结果分析

a）天线基片介质的选择

根据腔模理论，微带贴片天线可等效为一漏波谐振腔，尽管有较强的辐射，但它依然是品质因数Q值较高的谐振系统。为了有效降低微带天线的品质因数Q值，必须选择介电常数较低、厚度较厚的介质，而对于馈电基片，选择较薄的基片将有效降低来自馈线的伪辐射，在本例中，由于采用了口径耦合馈电方式，因此可以针对不同的需要来分别选择。但辐射基片的介质厚度并不能太厚，否则容易在贴片天线表面激励起不必要的高次模和伪辐射，通常其最大值不能超过0．052λ。

b）耦合缝隙宽度的选择

耦合缝隙的宽度对天线整体性能的影响较小，其值可以用来对天线的阻抗匹配进行调节。通常，当增大天线辐射基片的厚度时，也需要加大缝隙的宽度来增强耦合度。在文章的研究当中显示，天线对其数值的变化并不敏感，一般使其小于缝隙长度的十分之一即可。因此在应用当中，可以根据实际情况具体选择。如在本天线当中，进一步减小缝隙的宽度可以达到更好的匹配结果，但是考虑到实际制作的方便，便将其定为1mm。

c）馈线开路端长度的选择

馈线开路端的长度既馈线开路端到中心点的距离。其值常用来调节口径耦合天线的电抗，为了贴片天线与馈线可以达到最优化的阻抗匹配，其值一般选择为四分之一波长即可。同时，它的数值变化也会引起天线谐振频率的轻微变化，因此在天线的设计过程当中，也可以综合考虑，在保证阻抗匹配的前提下，利用它来对天线的频率进行微调。

4 结束语

在文章当中，针对ETC系统的OBU单元，设计了一种十字缝隙口径耦合馈电的右旋圆极化微带天线，并且对其馈电网络进行了等效模型的分析。本天线模型结构紧凑小巧，不仅可以满足设计的需要，而且可调参数众多，设计自由度比较高。通过合适的选择各项参数的数值，设计出的天线可以满足宽频带、高增益的要求。