一种共面波导馈电宽带圆极化方形缝隙天线解析

1 引言

由于印刷宽缝隙天线具有宽带阻抗、单金属层和易与有源电路集成等优点，因而在设计轴比带宽增强的圆极化天线中被越来越多地选用。通过在方形缝隙中设计微扰结构，这类天线可以实现一个较宽的轴比带宽。微扰结构包括加载一个十字型贴片，一个T型地板金属带，一对L型地板金属导带，或从馈线延伸出L型可调枝节和一对地板导带。

本文提出的宽带圆极化缝隙天线的微扰结构是在地板的两个角的方形导带上加载E形缝隙。3 dB轴比带宽可以通过改变E型缝隙的中间缝隙的长度来调整，最优的3 dB 轴比带宽可达32.8%，对应中心频率为2165 MHz，VSWR≤2的阻抗带宽可以达到54.8%。

2 天线结构

所提出的圆极化缝隙天线如图1所示。天线印制在边长为G=60 mm，介电常数为，厚度为h=1.6 mm，损耗角正切为的方形FR4基片上。采用50om共面波导馈电，馈线的长度和缝隙的宽度分别为Wf=4 mm 和g=0.5 mm。伸入到缝隙的辐射单元长为Lt+g，而后面长为Lt的线展宽为Wt=8 mm。地板对角的两个方形地板边长为L2=15 mm，在这两个方形导带上加载E型缝隙来实现宽带圆极化辐射。E型缝隙的长和宽都设计成L=14 mm，中间缝隙的长度为Ls，改变Ls可以调节天线的3 dB轴比带宽而几乎不影响天线的阻抗带宽。构成E型缝隙的每条窄缝隙的宽度都为W=1 mm。图示的结构将分别在+z和-z方向上激励出左旋和右旋圆极化波。

图1 天线结构图

如果将对角上的两个方形地板及E型缝隙换到另两个对角上，则将在+z和-z方向上激励出右旋和左旋圆极化波。

图2 Ls不同尺寸时天线的回波损耗仿真曲线

3 仿真与实验结果

为了说明天线的3 dB轴比带宽可由Ls调节，首先研究Ls=0mm时天线的特性。使用电磁仿真软件Ansoft HFSS仿真得到中心频率为2315.5MHz，3 dB轴比带宽为26.5%，VSWR≤2的阻抗带宽为57%（1420-559 MHz）。当Ls增加到Ls=7mm仿真得到3dB轴比带宽增加到31.4%，中心频率降低到2113 MHz，而VSWR≤2的阻抗带宽不变，仍为1420-2559 MHz。随着Ls增加到Ls=8 mm，可实现较理想的仿真结果，3 dB轴比带宽增加到33.4%，中心频率降低到2088 MHz，而VSWR≤2的阻抗带宽仍不变。当Ls增加到Ls=10 mm，天线的3 dB轴比带宽为32.2%，而VSWR≤2的阻抗带宽为和1420-2559 MHz。Ls不同尺寸时对应天线的结构参数和仿真结果见表1。图2为Ls不同尺寸时对应的回波损耗仿真曲线。图3为Ls不同尺寸时对应的轴比仿真曲线。仿真结果表明Ls可以方便地调节天线的3 dB轴比带宽，但几乎不影响VSWR≤2的阻抗带宽。

表1Ls不同尺寸时天线的结构参数，仿真的3 dB轴比带宽和仿真的VSWR≤2阻抗带宽，各参数为：，这里的中心频率是指3 dB轴比带宽的中心频率

Ls （mm）轴比中心

频率MHz3 dB AR 带宽

MHz， %VSWR≤2 阻抗带宽MHz，%

02315.52009-2622， 26.5%1420-2559， 57%

721131781-2445， 31.4%1420-2559， 57%

820881739-2437， 33.4%1420-2559， 57%

102242.51881-2604， 32.2%1420-2559， 57%

图3 Ls不同尺寸时天线的轴比仿真曲线

图4 Ls=8 mm时天线的回波损耗测量曲线

图5 Ls=8 mm时天线的轴比测量曲线

图6 Ls=8 mm时天线在轴比中心频率

2165 MHz测量的xoz面方向图

图4-5分别为天线在Ls=8 mm时的回波损耗测量曲线、轴比测量曲线。从图可以看出，天线的VSWR≤2阻抗带宽为1510-2650 MHz （54.8%），轴比带宽为1810-2520 MHz （32.8%），对应中心频率为2165 MHz。测量的轴比曲线和回波损耗曲线均与仿真结果吻合。图6为Ls=8 mm时天线在轴比中心频率处测量的xoz面方向图。该天线天线分别在+z和-z方向实现左手和右手圆极化特性。图7为Ls=8 mm时天线在圆极化带宽内的增益测量曲线，在圆极化辐射频带内，天线的增益最高可过5 dB，最低可实现3.5 dB。图8为Ls=8 mm时加工的天线实物图。

图7 Ls=8 mm时天线在圆极化带宽内的测量增益

图7 Ls=8 mm的天线实物图

4 结论

本文提出了一种新的共面波导馈电宽带圆极化方形天线。测量得到轴比带宽超过32%，VSWR≤2阻抗带宽达到54.8%。并且轴比带宽可以方便地通过E型缝隙的中间缝隙的长度来调整。天线分别在+z和-z方向实现了好的左手和右手圆极化特性。