胡金艳，杨 君， 秦文华，赵建平，徐 娟

（曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165）

0 引 言

与线极化天线相比，圆极化天线有几个重要的优势：对抗多径干扰或衰落﹑减少电离层的“法拉第旋转”效应和降低极化失配。因此，圆极化天线成为各种无线通信系统中的关键技术，如卫星通信﹑移动通信﹑全球导航卫星系统（G NSS）﹑无线传感网络（WNS）﹑射频识别（RFID）﹑无线局域网（WLAN）﹑无线个域网（WPAN）以及直接广播服务（DBS）电视接收系统等。圆极化波产生的关键是通过馈电结构产生两个方向正交﹑幅度相等﹑相位差90°的线极化波。实现天线圆极化的常用方法有单馈法﹑多馈法和多元法[1]。单馈法基于空腔模理论，通过引入几何微扰

激励出简并模分离单元[2]，通过破坏模式的平衡性来实现圆极化，如切角﹑表面开槽等。多馈法是在多个馈电点处形成电场幅度相等﹑相互正交﹑相位相差90°的线极化波，然后各个线极化波同时工作，电场矢量相互叠加来实现圆极化辐射。与单馈法相比，多馈法可提高阻抗带宽和轴比带宽。多元法与多馈法相似，使用多个线极化辐射单元，每一个馈电点分别对一个辐射元进行馈电，通过对单元天线位置的合理安排达到辐射圆极化波。与多馈法相比，多元法没有复杂的馈电网络，结构简单，增益高。

通信过程中，如果传播环境比较恶劣，微波信号会发生多普勒频移和深度衰落，导致通信质量下降。采用频率分集技术设计的双频天线能够扩充通信容量，提高系统的抗干扰能力，使天线同时在收﹑发两个频段工作。因此，双频圆极化天线不但实现了收发天线一体，还降低了系统的复杂度。

微带天线实现双频的方法主要有单贴片法和多贴片法[3]。多贴片法是利用谐振频率不同的多个贴片来工作。大贴片代表小的谐振频率，小贴片代表大的谐振频率。设计天线时，一般将小贴片叠在大贴片上。单贴片法是只有一个贴片，通过贴片的不同模式进行工作。文献[4-5]采用双层微带贴片堆叠结构，引入不同谐振频率的圆极化辐射单元，实现了双频工作。文献[6-7]采用单贴片微带结构，利用几种不同的自然模式实现双频。但是，多贴片法和传统的单贴片法设计的双频天线体积大﹑剖面高，在很多设备中并不适用。而采用旋转馈电法[8]不仅能够减小天线尺寸，还能提高天线增益。

为了使天线形成双频圆极化辐射，提高天线增益，降低天线复杂度，减小天线体积，本文通过旋转馈电的方法设计了一种双频圆极化天线。通过三维电磁仿真软件进行仿真和参数优化，最终能在两个频段上实现双频分工。

1 天线结构设计及工作原理

1.1 天线结构及尺寸

设计的双频圆极化天线结构及尺寸示意图，如图1所示。贴片位于单层基板上，基板采用Roger 5880，介电常数εr=2.2，厚度h=3.175 mm。天线中心为矩形金属环，金属环周边的四个贴片依次旋转90°排列，并通过四个微带线与金属环相连。其中，微带贴片单元采用对角线切角设计。金属环内由一个L型支路，其中一条支路开一个通孔，为阵列进行馈电。天线经过三维电磁仿真软件进行仿真优化，得到该阵列天线各尺寸参数值，见表1。

图1 阵列天线结构及尺寸

表1 阵列天线各尺寸参数值

1.2 天线的工作原理

常用的减小天线尺寸的技术是调整贴片的形状。对于单馈式圆极化贴片天线，可以使用长方形﹑近似的正方形环﹑具有扰动的等边三角形贴片以及带扰动的等边三角环﹑带扰动的环等，而不是近似的正方形或圆形等。

本文天线的贴片单元采用对角线切角设计，类似于单馈法引入微扰，激励起两个辐射正交极化的简并模（TM01模和TM10模），从而利用这两个简并模进行工作产生圆极化辐射。由于切角的贴片单元的对角线长度不等，两个单元对应的谐振频率也不相等，形成的极化形式也会在圆极化和线极化之间不断变化，这样就有效扩展了天线带宽。因为天线采用的旋转馈电技术对单个贴片单元的极化方式不敏感，只需要矢量叠加的电场为圆极化波即可。所以，通过选择合适的旋转馈电方式天线就可获得圆极化波。

2 天线性能的仿真

2.1 天线馈电

类似于宽带圆极化贴片天线，多频带圆极化贴片天线可以通过使用单个或多个馈电网络来实现。单馈源设计具有馈源结构简单﹑体积小﹑制造成本低的优点，但带宽通常较窄。利用多馈源阵可以抑制非期望的高阶模，具有高偏振度的优点。

对于本文的天线结构，如果采用四个馈电点，则需要一个更复杂的馈电网络，以提供四个端口分别为0°﹑90°﹑180°和270°相位差异。这些馈电网络将占用大量空间，增加复杂性和高成本。综合考虑，本文的双频段圆极化天线的设计使用单个50 Ω的SMA接头馈电，如图2所示。

图2 双频圆极化天线的馈电

使用单个50 Ω的SMA接头馈电外加一个矩形环进行旋转馈电，能够减小天线尺寸，降低天线的复杂度。天线中心的矩形环中有一个L型微带线，SMA的内导体与微带线相连接，外导体与地板相连接。仿真时，电流会沿着矩形环流动依次到达每一个贴片。T=0°和 T=90°时，分别是两个对角线上的贴片工作。虽然每个贴片都工作在线极化波模式，但是阵列的极化模式为圆极化波。T=0°和T=90°时，阵列天线表面电流分布仿真图如图3﹑图4所示。图5表示中心矩形环的电流流向图。

2.2 天线性能

利用电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真。图6表示天线的回波损耗，反映了双频圆极化天线的损耗随着频率变化的曲线。由图6可以看出，天线为双频带工作。反射系数小于-10 dB频带值为1.38～1.4 GHz和1.5 5～1.58 GHz。

图 7显示了该天线的轴比带宽曲线。图7中轴比小于3 dB频带范围分别为1.36～1.42 GHz和1.6～1.62 GHz。

图8显示了该天线的增益曲线。可以看出，天线在频率为1.61 GHz时增益最高，为11.59 dB。这是由于天线在此频率点处微带贴片为圆极化模式，四个贴片同时工作，电场矢量相互叠加。

图3 1.39 GHz下的阵列天线表面电流分布

图4 1.57 GHz下的阵列天线表面电流分布

图5 阵列天线中心矩形环电流流向

图9为天线 在1.39 GHz和1.57 GHz处XOZ和YOZ截面上的增益方向图。可以看出，天线的副瓣很小，在E面和H面的全向性都相当好。

图10为两个工作频段1.39 GHz和1.57 GHz的三维方向图。

图6 双频圆极化天线的反射系数

图7 双频圆极化天线的轴比

图8 双频圆极化天线的增益

图9 XOZ和YOZ截面上的增益方向

图10 双频圆极化天线的三维方向图

3 结 语

本文利用旋转馈电技术和贴片对角线切角技术实现了天线的小型化和双频圆极化的特性，并用三维电磁仿真软件对天线进行仿真优化。该双频圆极化天线只需要单层介质基板，结构紧凑，馈电简单。

[1] 钟顺时.天线理论与技术[M].北京:电子工业出出版社,2011.

ZHONG Shun-shi.Antenna Theory and Techniques[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011.

[2] 钟小清,姚斌,郑勤红.一款多频段小型单极子天线的设计[J].通信技术,2015,48(02):237-241.

ZHONG Xiao-qing,YAO Bin,ZHENG Qin-hong.A Compact Multi-band planar Monopole Antenna[J].Communications Technology,2015,48(02):237-241.

[3] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:电子科技大学出版社,1991:135-137.

ZHONG Shun-shi.The Theory and Application of Microstrip Antenna[M].Xi'an:University of Electronic Science and Technology Press,1991:135-137.

[4] 李飞.一种双频双圆极化微带天线的设计[J].通信与广播电视,2017(01):6-11.

LI Fei.Design of a Dual-Frequency and Dual Circular Polarized Microstrip Antenna[J].Communication and Broadcast Television,2017(01):6-11.

[5] YANG Wen-wen,ZHOU Jian-yi,YU Zhi-qiang.Single-fed Low Polarized Stacked Patch Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2014,62(10):5406-5410.

[6] Row J S.Dual-frequency Circularly Polarized Annular-ring Microstrip Antenna[J].Electronic Letters,2004,40(03):253-154.

[7] Jung Y K,Lee B.Dual-band Circularly Polarized Microstrip RFID Reader Antenna Using Metamaterial Branch-line Couper[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(02):786-791.

[8] Deng C,Li Y,Zhang Z.A Wideband Sequential-phase Fed Circularly Polarized Patch Array[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2014,62(07):3890-3893.