正交缝隙耦合馈电宽带圆极化微带天线设计
基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线
２ 天线设 计
Ｈ 形缝 隙耦合 的宽带圆极化微带天线结构如图 １ 所示，
由 Ｗ ｉ ｉｓｎ功分 器 对 两个 正交 的 Ｈ 形 缝 隙 进 行 馈 电 ， 量 ｌ ｎｏ ｋ 能
通过缝 隙耦合 到方贴片 ，激 励起幅度相 等 、相位 差 ９ 。 ０ 的 ＴＭＩ模和 ＴＭ１模 ，从而得到宽带 圆极化微带天线 。 ） 】 ０
１ 引言
缝 隙耦合微带天线最 早是 由 Ｐ ｚ ｒ于 １８ ｏａ ９ ５年提 出
与传统的同轴馈 电或侧馈相 比， 缝隙耦合结构的主要优点是 它的馈 电网络和无源辐射单元分别装在两个介质板上 ， 以 可 分别进行优化设计 ，并且辐射部分 与馈 线部分 由接地板 隔 开，馈线 的寄生辐射弱，交叉极化水平低 ，更容 易形成圆极
Ｍ ｉｒ ｓｒｐ Ｐａ ｃ ｔ ｎ ａ ｃ ｏ ｔ ｉ ｔ ｈ Ａｎ ｅ ｎ
Ｚ ａ ｇ Ｈｕ ｈｎ ｉ Ｚ ａ ｇ Ｘｉ ｏ ｆ ｈ ｎ ａ －ａ Ｙａ ｎ－ ａ ｎ Ｄｕ — ｏ ｂ Ｙｕ ｎ Ｎａ － ｈ ｎ ａ ｉｃ ａ ｇ －
（ ｃｏ ｌ Ｅ ｅｔ ｎｃＳ ｉｎｅａ ｄＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｎ ｔ ｎ ｌＵ ｉ ｒｉ Ｄｅｅ ｓ ｅｈ ｏｏｙ Ｃ ａ ｇｈ １０ ３ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｌ ｒ ｉ ｃ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ， ａｉ ａ ｎｖ ｓ ｙ ｃｏ ｅ ｎ ｏ ｅ ｔ ｆｎｅＴ ｃｎ ｌ ， ｈ ｎ ｓ ａ ０ ７ ， ｈｎ ） ｇ ４
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｄｅ ｉｎ ｏ ｒ ａ ｂ ｎ ｉｃ ｌ ｒ ｏ ａ ｉ ｅ ｃ ｏ ｔ ｉ ａ ｃ ｎ ｅ ｎ ｉ ｈ ｉ ｃ ｕ ｌｄ ｂ ｗｏ Ｈ—ｈ ｐ ｄ ｓ ｒ ｃ ： ｓｇ ｆ ｏ ｄ ａ ｄ ｃｒ ｕ ａ ｌ ｐ ｌ ｒｚ ｄ ｍｉ ｒ ｓ ｒｐ ｐ ｔ ｈ ａ ｔ ｎ ａ ｗｈ ｃ ｓ ｏ ｐ ｅ ｙ ｔ ｓ ａ ｅ ｂ ｙ ａ ｅ ｔ ｒ ｓ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｉ ｈ ｓｐ ｐｅ ． ｓ ｄ ｕ ｏ ｈ ｒ ｘ ｍｉｙ ｃ ｕ ｌ ｇ ｆ ｅ ｙ ｔ ｅＷ ｉ ｎ ｏ ｏ ｒｄ ｖ ｄ ｒ ｔ ｅ ｐ ｒ ｕ ｅ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｔ ｉ ａ ｒ Ｂａ ｅ ｐ ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｉ ｔ ｏ ｐ ｉ ｄ ｂ ｈ ｌ ｓ ｎ ｐ ｗｅ ｉ ｉ ｅ ， ｈ ｎ ｎ ｅ ｋｉ
一种波导缝隙馈电的圆极化微带天线
一种波导缝隙馈电的圆极化微带天线杨国伟张厚王剑（空军工程大学导弹学院，陕西三原，713800）摘要：本文设计了一种利用波导缝隙对微带天线直接激励的馈电结构，结合十字缝隙耦合实现了微带天线的圆极化。
该结构与传统结构相比具有结构简单、制造方便的特点。
由于是波导直接激励，避免了传统微带阵列天线由馈电网络引起的衰减。
并且，由于波导本身的宽频带特性，消除了由于馈电网络引起的天线带宽窄的现象。
关键词：波导微带天线圆极化中图分类号：TN823The Circle-polarized Microstrip Antenna feeding with WaveguideSlotYANG Guo-wei , ZHANG Hou, WANG Jian(The missile institute, air force engineering university, Sanyuan, Shanxi 713800, China) Abstract:A microstrip-antenna feeding structure used waveguide slot is designed in this article, and the cross aperture coupling is used to realize the circle-polarized. This feeding structure is simpleness、convenience compared to the traditional structure. The antenna is feed by the waveguide directly and the loss begot by the feeding network which is used by traditional antenna array is reduced, and the narrowband characteristic of feeding network is avoided because of the waveguide broadband characteristic.Key words:Waveguide Microstrip-antenna Circle-polarized1 引言随着通信技术的飞速发展，对天线的要求也越来越高。
一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计
一种宽带毫米波圆极化微带阵列天线的设计王堃;金荣洪;耿军平;梁仙灵;李建平【摘要】设计了一种紧凑馈电网络的宽带毫米波圆极化微带阵列天线,采用缝隙耦合馈电的宽带圆极化微带天线单元和紧凑的S形曲线并联等相差圆极化馈电网络构建了2×2的宽带圆极化微带阵列天线,分析了各个参数对天线特性的影响,获得了较好的宽带圆极化特性.并以该2×2天线阵列为基本子阵,通过并联馈电网络扩展到4×4的宽带圆极化微带天线阵列.实测和仿真结果基本一致,实现了良好的宽带圆极化特性.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2017(012)002【总页数】6页(P181-186)【关键词】毫米波;宽带;紧凑高效馈电网络;圆极化;微带阵列天线【作者】王堃;金荣洪;耿军平;梁仙灵;李建平【作者单位】上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TN820近年来，随着毫米波技术的迅速发展，其在卫星通信、星载雷达、高精度制导以及下一代5G移动通信等各个领域被广泛应用。
Ka波段作为毫米波的重要组成部分，可以提供的带宽更大、通信容量更高、终端尺寸更小以及抗干扰能力强等优点使其成为未来通信发展的重要频段。
毫米波微带阵列天线已有相关文献报道，文献[1]采用双层介质基板，通过缝隙耦合的并馈方式设计了一种工作在Ka波段的十六元微带天线阵列，获得8%的阻抗带宽；文献[2]对工作在毫米波段的切角贴片单元采用了倾斜角度的馈线，同时馈电网络采用串并结合的馈电方式。
改善了圆极化带宽和阻抗带宽，分别达到了1.3%和4.7%；文献[3]分别设计了4元和8元U型槽馈电的毫米波天线阵列，馈电网络均采用并馈的方式，有效阻抗带宽分别为3.28%和3.85%；文献[4] 设计了一种采用寄生贴片的交叉槽作为圆极化单元，并通过90度的延迟线馈电。
一种新型的小型微带馈电宽带圆极化宽缝天线
一种新型的小型微带馈电宽带圆极化宽缝天线张宇鑫;吕印庄【摘要】展示设计了一种新颖小型的微带馈电的圆极化缝隙天线.简单地从接地板向宽缝中心突出水平枝节,采用置于宽缝这一侧、突出枝节下方的微带线给缝隙天线馈电就可以容易地获得较宽的3 dB轴比带宽.馈线和突出的金属枝节相互垂直,从天线顶部看时,它们类似于T型结构,该天线具有25 mm×25 mm几何尺寸.仿真结果表明该天线的阻抗带宽(S11＜-10 dB,3.2～8.5 GHz)约为90.6％,3 dB轴比带宽约为56.3％ (AR ＜3 dB,3.7 ～6.6 GHz).轴比带宽内天线的峰值增益可达到3.4～4.3 dBi.该天线适用于C波段的圆极化应用.【期刊名称】《西安文理学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(020)004【总页数】5页(P25-29)【关键词】轴比;宽带圆极化;缝隙天线【作者】张宇鑫;吕印庄【作者单位】西安电子科技大学电子工程学院,西安710071;西安文理学院机械与材料工程学院,西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN82近年来，为了满足通讯系统不断增长的需求，具有各种不同辐射单元、馈电结构以及极化方式的小型天线研究引起了巨大的关注.和线极化天线相比，由于具有较强的机动性和良好的抗雨雾能力，圆极化天线应用于无线通讯系统也越来越普遍.因为具有宽带、低剖面，易于与单片微波电路集成这些优点，最近，大量的研究进入设计圆极化缝隙天线这一领域.圆极化天线的工作原理就是激励出两个等幅且相位差为90°的正交模式.在宽缝天线和环缝天线中可通过引入对称或是不对称的微绕结构来实现圆极化辐射[1-6].例如，在方形缝隙天线的两个对角处的地板嵌入两个L型金属窄带[1-2]；在方形缝隙天线地板上增加3个倒L型金属带以提高天线的轴比带宽[3]；也可在馈线[4-6]或缝隙结构[7-10]中加载微绕结构.然而，这些天线的结构太过复杂，其设计和制作难度也大大增加.本文提出了一种新型的结构简单、小型宽带圆极化天线.它包括一个矩形缝隙，一个微带馈线和一个从接地板凸起的水平枝节，通过将馈线置于水平延伸枝节下方就可得到良好的宽带圆极化特性.该天线结构简单、尺寸小，且具有很宽的轴比带宽，其3 dB轴比带宽可达到2.9 GHz，相对带宽约为56.3%(对于它的中心频率5.15 GHz而言)，覆盖了WLAN(5.2，5.8 GHz)，WiMAX(5.5 GHz)和其他C波段无线系统.图1展示了圆极化缝隙天线的几何结构.如图1所示，该天线由印制在FR4介质板正面的微带线馈电(相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.6 mm).馈线的宽度为3 mm.接地板印制在整个介质层的底面，在天线的接地板引入大的缝隙结构，然后从地板的右侧向整个缝隙的中心突出一个水平的枝节，在正对着馈线处切去接地板的一个缺口以减小馈线和接地板之间的耦合.整个天线的几何尺寸为25 mm×25 mm，并且是被印制在xoy面上.为了实现圆极化特性，微带馈线被置于整个天线右侧的边沿，突出水平枝节的下方.图2给出了该天线的设计演化图，4个天线分别被标注为天线1、天线2、天线3、天线4.天线1是已广泛采用的最基本的缝隙和馈电结构；天线4是本文所设计的天线.在第一步中，天线1具有一般的宽缝结构且馈线位于整个天线的中心；天线2中，在天线1的基础上增加一个从地板向缝隙中心突起的水平枝节(沿-y轴方向)；天线3中，再将馈线向+y方向平移；在馈线的上半部分增加向-y方向的突出部分就形成了天线4,即本文最终的设计.4个模型演化对天线性能的影响将在下一节中讨论.利用商用高频结构仿真器ANSOFT HFSS对天线进行仿真分析.为了说明天线性能的演化过程，我们在图3中给出了天线1、天线2、天线3的轴比和阻抗带宽的比较.在图3(a)中我们注意到天线1有较宽的阻抗带宽(3.6～6.4 GHz)，然而它是线极化辐射，在它工作频带内的大部分频点上其轴比远远大于25 dB，如图3(b)所示.圆极化的产生机理就是要激励出两个幅度相等、相差90度且方向正交的电场矢量.当在地板上增加了水平枝节(天线2)，S11曲线表明了天线的阻抗带宽在低频和高频均有提高，这是由水平枝节增加的横向电流路径引起的.更重要的是，在5 GHz时天线轴比从28 dB骤降至1.9 dB.这是因为水平突出枝节增大了水平的电场分量，所引起的水平电场分量和传统缝隙辐射的垂直电场分量具有90°的相位差，因此在5 GHz时产生了圆极化波.然而，在这一阶段，天线仍然不具有宽带圆极化特性.为了改善天线的阻抗带宽和圆极化特性，我们将微带馈线平移至接地板的右侧边沿，水平枝节的下方，如天线3所示.天线的带宽进一步提高，是因为相比于天线2，天线3水平和垂直电场的相差在很宽的频带内均保持在90度左右.至此，笔者利用简单的微扰结构实现的一个宽带圆极化天线，其圆极化带宽为2.05GHz(5.25～7.3 GHz)，阻抗带宽为4.4 GHz(3.2～7.6 GHz).为了进一步提高圆极化宽带特性，在馈线上再次增加短的突出枝节，如天线4所示.图4给出了馈线枝节宽度对回波损耗S11和轴比AR的影响的扫参分析.可以注意到Sw=0 mm时的天线等同于天线3.当Sw增大时天线在高频段的阻抗带宽也有所增大.当Sw=1 mm时，我们得到天线的阻抗带宽为3.2～8.5 GHz，同时3 dB轴比带宽为3.7～6.6 GHz.当Sw=2 mm时，天线在高频的阻抗带宽稍有增大，其阻抗带宽为3.2～8.9 GHz，然而其轴比带宽变小，带宽为3.65～6.05 GHz.当Sw=3 mm时，阻抗带宽增大但轴比带宽急剧下降为3.6～5.6 GHz.这一结果表明对于Sw的变化取值，阻抗带宽和轴比带宽存在一定的折衷.图4的结果表明Sw=1 mm时，在很宽的频段内提供了最佳的圆极化条件.图5给出了各个参数优化过后的天线的结果图,可以得到其阻抗带宽为90.6%(3.2～8.5 GHz)，3 dB轴比带宽为56.3%(3.7～6.6 GHz).天线4的枝节设计带来了宽带圆极化特性，这表明由在其下方的馈线馈电的突出枝节激励了两个正交的电场矢量，产生了圆极化辐射.图6给出了在6.2 GHz时天线4在不同相位的表面电流分布，显然，天线的表面电流在相位180°和270°时分别等幅反向于0°和90°时的电流，这表明该天线在+z方向为左旋圆极化，在-z方向为右旋圆极化.图7给出了天线在主频5.2 GHz和6.2 GHz的辐射方向图，图8给出了6.2 GHz 时的三维辐射方向图.可以看到，天线的最大辐射方向存在少量偏移，这是因为天线的不对称结构导致其最大辐射方向分别在xoz和yoz面上向+x和+y方向偏移.除此以外，天线在z轴的两个相反的方向辐射两个相反极化特性的电磁波(+z方向辐射左旋圆极化波，-z方向辐射右旋圆极化波).图9给出了天线的峰值增益仿真结果，结果表明天线在轴比带宽内的峰值增益保持3.4～4.3 dBi之间.本文设计了一款新颖且结构简单的圆极化缝隙天线.和很多缝隙天线不同的是，该天线利用简单的结构很容易地获得了圆极化特性，为后期的制作与测试提供了极大便利.仿真结果表明其阻抗带宽可以达到90.6%，轴比带宽达到56.3%.为了获得圆极化特性，在传统缝隙天线的地板上增加微扰枝节指向缝隙中心，并将传输馈线置于枝节的下方与枝节构成类T型结构.同样，在馈线的顶部向缝隙中心增加突出结构可进一步提高天线的圆极化带宽.除了结构简单之外，该天线几何尺寸仅为25 mm×25 mm，在C波段的无线系统中具有较大的应用价值，如WLAN(5.2，5.8GHz)，WiMAX(5.5 GHz).【相关文献】[1] SZEJ Y,CHANG C C.Circularly polarized square slot antenna with a pair of inverted-L grounded strips[J].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett,2008,7:149-151.[2] POURAHMADAZAR J,GHOBAD IC,NOURINIA J,et al.Broadband CPW-fed circularly polarized square slot antenna with inverted L-strip for UWB applications[J].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,2011,10:369-372.[3] FELEGAR IN,NOURINIA J,GHOBADI C,et al.Broadband CPW-Fed circularly polarized square slot antenna with three inverted Lshaped grounded strips[J].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,2011,10:274-277.[4] CHANG T N.Circular polarized antenna for 2.3-2.7 GHz WiMAXband[J].Microw.Opt.Technol.Lett.,2009,51(12):2921-2923.[5] SZEJ Y,WANG J C,CHANG C C.Axial-ratio bandwidth enhancement of asymmetric-CPW-fed circularly-polarised square slot antenna[J].Electron.Lett.,2008,44(18):1048-1049.[6] SZEJ Y, PAN SP.Design of CPW-fed circularly polarized antennawith a miniature configuration[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2011,10(7):1465-1468.[7] YEUNG S H,MAN KF,CHAN W S.A bandwidth improved circular polarized slot antenna using a slot composed of multiple circular sectors[J].IEEE Trans.AntennasPropag.,2011,59(8):3065-3070.[8] JAN J Y,PAN C Y,CHIUK Y,et al.Broadband CPW-fed circularly polarized slot antenna with an open slot[J].IEEE Trans.AntennasPropag.，2013,61(3):1418-1422.[9] CHU Q X, DU S.A CPW-fed broadband circularly polarized square slotantenna[J].Microw.Opt.Technol.Lett.,2013,52(2):409-412.[10] CHANG T N.Wideband circularly polarised antenna using two linked annularslots[J].Electron.Lett.,2011,47(13):737-739.[11] POURAHMADAZAR J,RAFII V.Broadband circularly polarised slot antenna array for L and S-band applications[J].Electron.Lett.,2012,48(10):542-543.[12] SZEJ.Y，WONG K L.Bandwidth enhancement of a microstrip-line fed printed wide-slot antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2001,49(7):1020-1024.[13] 陈晓东，克莱夫·G·帕里尼.全球卫星导航系统天线[M].北京：国防工业出版社，2015.[14] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.。
一种新型宽带圆极化微带天线的设计
一种新型宽带圆极化微带天线的设计赵丽娟;邵晓亮;邹永庆;吴先良;杨代明【摘要】X波段通信系统需要宽带圆极化天线,目前这类的研究很热门.介绍一种新型宽带圆形圆极化微带天线.该天线是基于空腔理论模型的设计方法,采用独特的切角结构,并用同轴馈电的方法,频率范围为8.25～9.28 GHz.在此讨论其展宽带宽和实现圆极化的理论与方案,描述所设计天线的3D结构,给出了设计仿真结果,数据显示驻波比带宽展宽到12%,轴比带宽为3%,表明了该设计能提高圆形微带天线的性能.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2009(032)024【总页数】2页(P91-92)【关键词】宽频带;圆极化;微带天线;驻波比;轴比【作者】赵丽娟;邵晓亮;邹永庆;吴先良;杨代明【作者单位】安徽大学,电子科学与技术学院,安徽,合肥,230039;安徽大学,电子科学与技术学院,安徽,合肥,230039;华东电子工程研究所,安徽,合肥,230031;安徽大学,电子科学与技术学院,安徽,合肥,230039;华东电子工程研究所,安徽,合肥,230031【正文语种】中文【中图分类】TN82微带天线其基片厚度与波长相比一般很小，因而它实现了一维小型化。
与普通微波天线相比，微带天线剖面薄，体积小，重量轻，易共形，便于获得圆极化，但是频带窄，性能受基片材料影响大。
到目前为止，展宽微带天线频带的途径有以下几种[1]：(1) 降低等效谐振电路Q值，即增大基片厚度h，降低基片相对介电常数εr等；(2) 修改等效电路：附加寄生贴片、采用电磁耦合馈电等；(3) 附加阻抗匹配网络；(4) 其他途径：如改变贴片形式、加变容管、利用行波阵或对数周期结构。
上述(1)的方法比较容易实现，但是参数选择超过一定范围后会激起高次模，会使天线的方向图恶化以及会增加天线的辐射损耗。
(2)的方法则需要天线采用多层结构，占用的空间较大。
(3)、(4)的方法也在不同程度上使天线的结构复杂化。
一种宽带圆形缝隙天线的设计
第6卷第6期空军工程大学学报(自然科学版)V o.l6N o.6 2005年12月J OURNAL OF AI R FORCE ENG I NEER I NG UN I VERSITY(NATURAL SC I ENCE ED I TI ON)D ec.2005 *一种宽带圆形缝隙天线的设计高向军,王光明,张晨新(空军工程大学导弹学院,陕西三原713800)摘要:在传统结构微带缝隙天线的基础上,设计了一种采用叉状馈电结构的宽带微带圆形缝隙天线。
通过调整馈电结构中主、侧臂的尺寸可以获得较好的匹配。
经过仿真和实验测试,该结构的宽缝天线工作于2GH z时,匹配带宽达到了32.5%(VS W R<1.5)。
关键词:微带;宽缝;叉状馈电;圆缝中图分类号:TN82文献标识码:A文章编号:1009-3516(2005)06-0028-03从微带天线的概念提出以来,对微带的理论研究一直是人们研究的热点,其工程应用非常广泛。
由于它剖面薄,重量轻,可与载体共形,易与有源器件集成等优点,已经被应用于卫星通信[1]、导航等领域。
今天,微带天线的形式已多种多样,微带缝隙天线以其独特的性能(馈电网络和辐射单元相对分离,从而把馈线对天线辐射方向图的影响降到最小)得到了广泛的应用。
微带缝隙天线具有对加工精度要求低,可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产等优点,尤其是微带宽缝天线更是有效地拓宽了频带[2,3]。
目前缝隙天线已被广泛地应用于航空航天飞行器、卫星直播电视等高频阵列天线中。
本文提出了一种采用叉状馈电结构的圆形宽缝天线,在改变馈点位置及叉状馈电结构中主、侧臂尺寸的情况下,可以获得良好匹配。
通过仿真及实验测试,这种结构的宽缝天线,工作于2GH z时,频带达到了32.5%(VS WR<1.5)。
1天线结构常见的圆形缝隙天线的结构如图1(a)所示。
它是在基片的地面开一圆缝,在基片的另一面利用508开路微带线馈电。
微带天线实现圆极化的方法
微带天线实现圆极化的方法引言：微带天线是一种常用的天线，具有结构简单、体积小、重量轻、制造成本低等优点。
在无线通信、雷达系统和卫星通信等领域得到了广泛的应用。
而圆极化天线则具有抗多径衰落、提高信号质量的优势。
因此，研究如何通过微带天线实现圆极化成为一个重要的课题。
一、圆极化天线的基本原理圆极化天线是指其辐射电磁波的电场矢量沿着一个圆轨迹变化。
与之相对的是线极化天线，其辐射电磁波的电场矢量沿着一条直线变化。
圆极化天线可以分为左旋圆极化和右旋圆极化两种。
在实际应用中，我们常常希望通过微带天线实现圆极化，以满足不同的通信需求。
二、微带天线实现圆极化的方法1. 旋转馈电点：最常见的实现圆极化的方法是通过旋转馈电点来改变天线的辐射特性。
具体而言，可以通过改变馈电点的位置、角度或距离等参数来实现圆极化。
这种方法简单易行，但需要进行频率调谐以达到最佳效果。
2. 引入相位延迟器：相位延迟器是一种用于改变电磁波相位的装置。
通过在微带天线的馈电线路中引入相位延迟器，可以使得不同位置的辐射元件在相位上存在差异，从而实现圆极化。
这种方法可以实现宽频带的圆极化，但需要进行精确的相位控制。
3. 增加辐射元件：通过在微带天线上增加辐射元件，可以改变天线的辐射模式，从而实现圆极化。
常见的辐射元件包括偶极子、贴片和补偿器等。
这种方法可以实现较宽的工作频带和较高的圆极化效率。
4. 利用反射面：通过在微带天线周围放置反射面，可以改变天线辐射的波前分布，从而实现圆极化。
反射面可以是金属板、金属网格或金属棱镜等。
这种方法可以实现较高的圆极化效率，但对天线的尺寸和结构有一定要求。
5. 利用耦合器：耦合器是一种用于将微带天线与其他天线或电路相连的装置。
通过在馈电线路中添加合适的耦合器，可以实现微带天线的圆极化。
这种方法具有结构简单、制造成本低等优点，但需要进行精确的设计和调试。
结论：微带天线是一种常用的天线，通过改变天线的结构和工作原理，可以实现圆极化。
宽带微带正交耦合器设计
第7期2018年4月No.7April，20181 正交耦合器设计概述近年来宽带通信技术由于具有传输速率高、容量大、硬件成本低等突出优势，受到广泛关注。
宽带/多波段电子信息系统必须具备相应的宽带/多波段射频前端设备，例如放大器、耦合器、滤波器、天线等。
特别是在接收或发射圆极化波的无线电子系统射频前端中，正交耦合器是必不可少的元件之一[1-2]。
所以，这类器件广泛应用于卫星导航、电子对抗、射频识别和无线通信系统[3]。
由于PCB 工艺是低廉且成熟的加工工艺，所以传统的微波平面正交耦合器一般都采用微带线或带状线设计。
经典的正交耦合器一般由功率分配器和90°移相器级联，或采用分支线定向耦合器和环形器实现。
它们都需要具备两方面的性能，一方面要有等功率分配功能，另一方面要具有90°移相功能。
然而，其经典的结构设计只有10%~20%的工作带宽[4]，不能满足宽带通信系统的指标要求。
本文设计了一副带宽达50%的微带宽带正交耦合器，在宽带圆极化平面天线中有广泛的应用前景[5]。
2 微带正交耦合器结构本文设计的宽带微带正交耦合器等效电路图如图1所示，它由威尔金森功率分配器和一个宽带90°移相器[5]级联而成。
威尔金森功率分配器实现等功率分配的同时，完成了输入端口和输出端口之间的阻抗变换。
输入信号经Port 1分两条支路传输，它们分别通过1/4波长的微带线连接宽带90°移相器的两个输入端口。
威尔金森功率分配器两个输出端口具有较高的隔离度，能保证两路正交隔离信号的传输。
另一方面，两路信号的90°相位差需要在宽频带上持续保持，所以该宽带正交耦合器的关键部分是90°移相器。
宽带90°移相器的结构如图1右半部分所示。
移相器有两条支路，一支路为信号参考线，采用中心频率特性阻抗为Z 4的微带线；另一支路由两对分别开路和短路的电长度为电长度为半波长的微带线和1/8波长的微带线组成，设计时分别采用中心频率特性阻抗为Z 3和Z 2的微带线。
微带天线馈电方法的研究-边馈、同轴探针、耦合馈电
第一章论文设计研究背景1.1微带天线的发展1.1.1天线天线是作无线电波的发射或接收用的一种金属装置(如杆、线或线的排列)。
在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。
无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。
此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。
一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。
同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
这就是天线的互易定理。
天线的分类：①按工作性质可分为发射天线和接收天线。
②按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。
③按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线，微波天线等。
④按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。
描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频率。
天线按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。
单极和双级天线是两种最基本的一维天线。
二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状，碟状。
1.1.2微带天线微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。
早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。
在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。
常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。
当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。
图1所示为一基本矩形微带天线元。
长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。
Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计
改 善 天线 的轴 比带 宽 和 圆极 化 纯 度 ， 采 用 顺 序 旋 转 馈 电技 术 ， 设 计 了 ４× ４宽 带 圆 极 化 微 带 天 线 阵 列 。仿 真 结
果表 明 ， 该 天 线 阵列 具 有 良好 的 宽 带 特 性 ， 其 阻抗 带宽 （ Ｓ １ １＜ 一１ ０ ｄ Ｂ ） 达２ ５ ％（ ３ １ ． ４— ４ ０ ． ２ Ｇ Ｈ ｚ ） ， 轴 比带 宽
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正交缝隙耦合馈电宽带圆极化微带天线设计张昭;曹祥玉;李思佳;郭蓉【摘要】为了实现圆极化微带天线的频带拓宽和增益提高,在缝隙耦合天线的基础上,设计了一种Ku频段正交缝隙耦合馈电的宽带圆极化微带天线.该天线以双层方形贴片为辐射单元,在拓展天线阻抗带宽的同时提高了增益;采用微带线结合正交左旋缝隙结构实现耦合馈电,通过优化缝隙结构改善了天线轴比特性.测量结果表明:阻抗带宽(VSWR＜2)和轴比带宽(AR＜3 dB)分别达到22.5％和16.2％,轴比带宽内天线增益均大于9 dBi.该结构天线以其简单的馈电设计为宽带圆极化微带天线设计提供了一定的参考价值.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(015)002【总页数】5页(P57-61)【关键词】微带天线;宽频带;圆极化;正交左旋缝隙【作者】张昭;曹祥玉;李思佳;郭蓉【作者单位】空军工程大学信息与导航学院,陕西西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,陕西西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,陕西西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,陕西西安,710077【正文语种】中文【中图分类】TN82现阶段圆极化微带天线具有体积小、剖面低、易共形、能接收任意线极化来波等优点在卫星通信领域中拥有广阔的应用前景,因此对其研究具有重要意义[1-2]。
但是由于圆极化微带天线阻抗带宽和轴比带宽通常较窄、增益较低需要进一步的研究。
针对拓展圆极化轴比带宽、提高天线增益的问题,文献[3]提出一种双层贴片结构,利用威尔金森功分器通过H形口径耦合馈电,轴比带宽虽达到30%,但增益仅大于6 dBi;文献[4～5]深入介绍了通过微带巴伦为4个L型探针馈电的单贴片圆极化微带天线,3 dB轴比带宽均达到了80%,但带内增益仅在3 dBi以上;文献[6～7]应用三馈电方式实现圆极化辐射,3 dB轴比带宽分别达到19.8%和33%,带内增益大于3 dBi;以上设计虽然轴比带宽得到很大扩展,但是馈电网络的设计都很复杂,且带内增益较低。
单馈电方式的圆极化微带天线虽无需额外电路,但它所能提供圆极化带宽较窄,文献[8]选择双层方形倒角贴片为辐射单元,分别采用微带线边馈和耦合馈电,其天线单元3 dB轴比带宽分别达到8.0%和11.67%;文献[9]通过在双层微带天线的圆环贴片上加载面积适当的矩形缝隙对的方式辐射圆极化波,其3 dB轴比带宽为12%;文献[10]采用同轴馈电双层贴片结构使轴比带宽扩展至13.5%,带内增益约7.5 dBi。
为了进一步展宽天线的工作频带和提高天线的增益,本文提出采用正交不等长缝隙耦合馈电的Ku频段双层贴片宽带圆极化微带天线。
该结构微带天线以非常简单的馈电方式实现了宽频带高增益圆极化辐射,在卫星通信领域应用前景广阔。
1 天线单元设计为扩展圆极化轴比带宽、提高增益、简化馈电网络设计,提出了2种正交缝隙耦合馈电的Ku频段层叠结构圆极化微带天线,其结构见图1。
图1 天线结构Fig.1 Antenna structure整个天线结构从下至上依次为馈电介质层、介质层1、空气层、介质层2,开路微带馈线位于馈电介质层下表面,下层贴片印制在介质层1的上表面,上层贴片印制在介质层2的下表面。
缝隙部分由2个末端带拐角的不等长矩形缝隙正交组成,根据缝隙所在平面法向与缝隙末端拐角指向,依次将其记作正交左旋缝隙(Left-Hand Orthogonal Slots,LHOS)型和正交右旋缝隙(Right-Hand Orthogonal Slots，RHOS)型,见图2。
图2 LHOS型和RHOS型结构Fig.2 Structures of LHOS and RHOS2 参数分析为分析缝隙末端拐角指向对天线性能的影响,在天线尺寸参数相同的条件下,分别对LHOS型和RHOS型天线的VSWR和AR进行了仿真对比,结果见图3。
由图3可知,对于右旋圆极化波,LHOS型缝隙会延长电流路径,使谐振频带向低频移动,相对带宽增大;RHOS型缝隙会使天线交叉极化分量增大,导致轴比特性恶化。
图3 LHOS型和RHOS型天线仿真结果对比Fig.3 Comparison of simulated LHOS and RHOS通过上述分析,选择LHOS型缝隙设计圆极化天线,先根据驻波比确定贴片尺寸,再优化缝隙结构尺寸。
缝隙末端的拐角等效为电抗性负载[11],实现圆极化辐射的同时,极大地减小了馈电网络的复杂性。
根据文献[12]的论述,缝隙的宽度固定在很小值,主要通过改变长度调节谐振频率和谐振电阻。
利用Ansoft HFSS 14.0仿真软件分别对LHOS型缝隙结构的参数La1、Lb1、La2和Lb2进行分析,仿真结果见图4。
其他参数如下:a=7.4 mm,b=5.5mm,w=1.2 mm,L=2 mm,缝隙宽度均为0.2 mm。
图4 不同缝隙尺寸的轴比结果Fig.4 AR results of different slot parameters由图4(a)、(b)可知,随着La1和La2的增大2个谐振点逐渐靠近,并且2个谐振点之间的轴比值逐渐减小;由图4(c)、(d)可知,随着Lb1和Lb2的增大,2个谐振点频率逐渐向低频移动,两谐振点之间的轴比值先减小后增大。
由此可知,短缝隙主要影响谐振频点位置,长缝隙主要影响谐振点之间的距离,故适当选取缝隙长度值可以达到扩展3 dB轴比带宽的目的。
当频率为13 GHz时,LHOS型天线上下层辐射贴片表面电流分布结果见图5。
相位以90°间隔从0°增加到270°。
由图5(a)可知,相位为0°时,电流方向主要指向-y方向;相位为90°时,电流方向主要指向+x方向;相位为180°时,电流方向主要指向+y 方向;相位为270°时,电流方向主要指向-x方向;同理分析下层贴片可知,该天线辐射右旋圆极化波。
需要指出的是,将馈线绕z轴旋转90°后所形成的天线将辐射左旋圆极化波[13],由于结构的轴对称性,这2种极化方式天线的其他性能必然相同。
图5 贴片表面电流分布Fig.5 Distribution of surface current3 实测分析加工制作了LHOS型圆极化微带天线,天线实物见图6。
利用Agilent N5230C矢量网络分析仪、云傲AT-1转台、标准增益喇叭天线和宽频带增益喇叭天线构成远场测试环境,对天线的VSWR进行了测试,利用极化瓣图法[14-15]测量出天线的极化瓣图,进而得到天线的AR。
图7中,仿真VSWR<2和AR<3 dB的频率范围分别是11.45～14.31 GHz和12.0～14.0 GHz,相对带宽分别为22.2%和15.4%,实测VSWR<2和AR<3dB的频率范围分别是11.38～14.26 GHz 和11.9～14.0 GHz,相对带宽分别为22.5%和16.2%,实测与仿真结果基本吻合,验证了设计的可靠性。
阻抗带宽与轴比带宽均向低频有略微偏移,这可能是上下贴片中心未完全对正和空气层厚度不均匀导致。
图6 天线实物图Fig.6 Fabricated antenna图7 VSWR和AR实测结果Fig.7 Measured VSWR and AR results选取12 GHz、13 GHz和14 GHz 3个频点测试了方向图,结果见图8。
3个频点处的主辐射方向增益均大于9 dBi,交叉极化抑制度在主辐射方向大于15 dB,反映了天线良好的右旋圆极化特性。
图8 各频点实测方向图Fig.8 Measured radiation patterns4 结语采用微带线结合正交缝隙结构馈电的层叠微带天线,对缝隙结构和尺寸对天线性能的影响进行了讨论和优化,实现了宽频带圆极化微带天线的设计。
加工制作了LHOS型天线,实测结果表明该天线阻抗带宽达到22.5%,3 dB轴比带宽达到16.2%,3 dB轴比带宽内增益均大于9 dBi。
该天线具有良好的宽带圆极化和高增益性能,且馈电简单、结构紧凑,在卫星通信领域具备一定的应用前景。
参考文献(References)：[1]宋小弟,冯恩信,傅君眉. 一种新型小型圆极化GPS 微带天线的设计与实现[J].西安电子科技大学学报,2009,36(6):1108-1113.SONG Xiaodi, FENG Enxin, FU Junmei. Design and implementation of a novel miniaturized circularly polarized GPS microstrip antenna[J]. Journal of Xidian university,2009,36(6):1108-1113.(in Chinese)[2]赵红梅,牛艳娟,刘藤. 新型小型化GPS天线设计[J].电讯技术,2010,50(1):107-110.ZHAO Hongmei, NIU Yanjuan, LIU Teng. A novel compact GPS antenna[J].Telecommunication engineering, 2010,50(1):107-110.(in Chinese)[3]周军,王玉峰,周江昇. 一种宽频圆极化H形缝耦合微带天线设计[J].微波学报,2010,26(S1):153-156.ZHOU Jun, WANG Yufeng, ZHOU Jiangsheng. Design of a broadband circularly-polarized h-sharped aperture-coupled microstrip antenna[J]. Journal of microwave,2010,26(S1):153-156.(in Chinese)[4]Bian Lei, Guo YongXin,Ong L C,et al.Wideband circularly-polarized patch antenna[J]. IEEE transactions on antennas propagation,2006, 54(9):2682-2686.[5]Guo Yong-Xin,Khoo Kah-Wee,Ong Ling Chuen. Wideband circularly polarized patch antenna using broadband baluns[J]. IEEE transactions on antennas propagation,2008,56(2):319-326.[6]林晨,张福顺,朱杨,等.具有稳定相位中心的三馈点圆极化微带天线[J].电波科学学报,2011,26(4):715-721.LIN Chen, ZHANG Fushun, ZHU Yang,et al.Triple-fed circular polarized microstrip antenna with stable phase center[J]. Chinese journal of radio science,2011,26(4):715-721.(in Chinese)[7]钱祖平,刘宗全,冯卫华,等. 一种新型宽带宽波束圆极化微带天线的设计[J]. 电波科学学报, 2011,26(6):1170-175.QIAN Zuping, LIU Zongquan, FENG Weihua,et al.Design of a new circularly-polarized broadband microstrip antenna with beamwidth[J]. Chinese journal of radio science, 2011,26(6):1170-175.(in Chinese)[8]朱莉,王光明,高向军,等. 一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J].微波学报,2008,24(3):21-24.ZHU Li, WANG Guangming, GAO Xiangjun,et al. Design of a new circular polarization broadband microstrip sntenna[J]. Journal of microwave, 2008,24(3):21-24.(in Chinese)[9]杨帅,冯全源. 缝隙加载的宽频带圆极化微带天线[J].探测与控制学报,2009,31(5):77-80.YANG Shuai, FENG Quanyuan. Slot-loaded vircularly polarized broadband microstrip antenna[J]. Journal of detection & control,2009,31(5):77-80.(in Chinese)[10]Nasimuddin,Esselle Karu P,Verma A K. Wideband circularly polarized stacked microstrip antennas[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters,2007，6:21-24.[11]Jung Chae-Hyun,Lim Sang-Ho,Myung Noh-Hoon. Analysis of an H-shape cross slotted aperture-coupled microstrip patch antenna[C]//Asia pacific microwave conference.Singapore:IEEE press,2009:1890-1893. [12]张辉,张晓发,闫敦豹,等. 基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J].电子与信息学报,2007, 29(4):991-993.ZHANG Hui, ZHANG Xiaofa, YAN Dunbao,et al. Broadband circularly polarized H-shaped aperture-coupled microstrip patch antenna[J]. Journal of electronics & information technology, 2007, 29(4):991-993.(in Chinese) [13]George Thomas K, Praveen G. A novel wideband circularly polarized printed antenna[J]. IEEE transactions on antennas propagation,2012,60(12):5564-5570.[14]Jacobsen S,Rolfsnes H O,Paul R. Characteristics of microstrip muscle-loaded single-arm archimedean spiral antennas as investigated by FDTDnumerical computations[J].IEEE trans on biomedical engineering, 2005, 52(2):321-330.[15]Lee M,Kramer A K,Chen C C,et al. Distributed lumped loads and lossy transmission line model for wideband spiral antenna miniaturization and characterization[J]. IEEE trans on antennas propagat, 2007,55(10): 2671-2678.。