李 强，项铁铭，王 磊

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江杭州310018)

0 引言

微带天线因其重量轻，体积小，低剖面等诸多优点而成为多种天线之中比较新颖而且很有发展前途的一类，而其中高性能的圆极化微带天线已经应用于各种领域，如:WLAN，GPS，移动卫星，RFID等［1，2］。近年来，人们对微带天线的尺寸，性能有了更高的技术要求，因此国内外学者针对微带天线天线的小型化做了广泛而深入的研究。减小天线尺寸主要有以下几种方法:一是采用短路探针的方法［3］，但短路探针和馈电探针之间距离很近，对输入阻抗的特性影响比较明显，不易加工和调试;二是采用高介电常数介质基片［4］，可以减小微带天线的尺寸，但这种天线的阻抗带宽过窄，由于表面波效应的影响，辐射效率降低;三是在微带贴片上开缝［5-7］，其原理是开槽以延长贴片表面的电流路径，从而降低天线谐振频率，这是目前小型化技术中的主要方法。本文研究的目标是设计一个圆极化天线，使它工作频段能够覆盖北斗卫星要求的频段(2 491±5MHz)，且实现卫星接收天线所要求的右旋圆极化波。通过调整缝隙长度，切角深度，中心孔半径，以及选择合适的馈电位置，实现了天线的圆极化辐射，并减小了天线的物理尺寸，与文献8中采用相同介电常数的微带天线相比，在保持增益基本不变的前提下，天线尺寸减小17%，-10dB回波损耗带宽增加20MHz。

1 天线结构与设计

如图1所示，该微带天线采用圆形贴片，直径为d，接地板为50mm×50mm的方形，介质板为FR4，介质厚度h=1.6mm，相对介电常数εr=4.4，为了实现天线的圆极化，在圆形贴片四边对称开槽，长度分别为w和l，宽度为g，中心圆孔半径为r，切角深度为h1。

矩形缝隙激励起幅度相等和相位相差90。的简并模，从而可以实现圆极化。通过调整贴片四边的切角深度h1和圆槽半径r以实现天线小型化，其原理是弯曲了贴片表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过，而路径变长，贴片等效尺寸相对增加，谐振频率降低。图1中，当w〉l时，馈电在A点实现右旋圆极化，其对应的镜像点B点实现左旋圆极化，根据北斗卫星天线需要，选择A点馈电。

圆形贴片半径d/2决定天线的谐振频率，因此根据频率可得到半径的初始值，公式为:d/2=谐振频率，其单位为GHz，直径d和高度h单位均为cm，由于谐振频率为2.49GHz可算得直径的初始值d=32.6mm。

2 仿真和测试结果

通过对缝隙尺寸，以及馈电位置等参数进行优化仿真，得到了最佳的阻抗带宽与3dB轴比带宽，此时馈电位置A坐标为(4.4，4.4)，优化后的参数如表1所示。

表1 优化后的参数 单位:mm

加工的天线实物照片如图2所示。仿真与测试结果对比如图3所示，测试结果与仿真结果具有一致性，S11〈 -10dB 阻抗带宽2.43-2.57GHz，为140MHz，S11〈 -20dB 阻抗带宽 70MHz。如图 4所示，文献8中S11〈-10dB阻抗带宽约为100MHz，可见该天线比文献8阻抗带宽提高了40MHz。如图5所示，该天线的3dB轴比带宽30MHz，而北斗卫星接收天线工作频段为2 491.75±5MHz，因此该天线完全适用于北斗卫星定位系统。如图6所示，文献8中3dB轴比带宽为30MHz。f=2.49GHz时，xoy面和xoz面的增益曲线如图7所示，在最大辐射方向上右旋圆极化波与左旋圆极化波增益相差24dB左右，可见天线的极化纯度较高。xoy面和xoz面的半功率宽度(HPBW)为100。，最大辐射方向增益优于3.4dB。增益随频率变化曲线如图8所示，可见增益随频率的增大而增大。

图1 天线示意图

图2 天线实物

图3 仿真与测试对比

图4 文献8回波损耗曲线

图5 天线轴比仿真图

图6 文献8轴比曲线

图7 f=2.49GHz增益曲线仿真图

图8 增益随频率变化仿真曲线

3 结束语

本文设计了一种单馈点圆极化天线，该天线用电磁仿真软件HFSS进行仿真并进行了实物测试，测试结果与仿真结果相吻合。仿真和测试结果表明这种微带天线能够有效地降低天线的谐振频率，即该天线相比较相同介电常数的介质基片微带天线，天线的尺寸下降了15%。该天线的特点是不仅使天线的尺寸下降了，同时还保证了相当的增益和带宽，如上所述，天线的增益达3.4dB。该设计在有效减小天线的尺寸与保证天线增益两者之间取得了一个比较好的折中，同时还使天线实现圆极化辐射，因此该天线具有相当的实用性。

［1］ 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，1991:3-66.

［2］ 吴钰，屈绍波，戴慧莹等.一种复合左右手结构的宽频带微带天线［J］.通信技术，2008，41(10):35-37.

［3］ Rod BWaterhouse ，Targonski SD，Kokotoff DM.Design and performance of small printed Antenna［J］.IEEE Transactions Antennas and Propagation，1998，46(11):1 629-1 633.

［4］ Hwang Y，Lan E KW.Miniature aperture coupledmicrostrip antenna of very high permittivity［J］.Electron ics Letters，1997，33(3):9-10.

［5］ Wong K L ，Wu JY.Single-Feed Small Circular Polarized Square Microstrip Antenna［J］.Electronics Letters，1997，23(3):1 833–1 834.

［6］ Chen WS ，Wu CK ，Wong K L .A Novel compact circularly polarized squaremicrostrip antenna［J］.IEEE Transactions Antennas and Propagation，2001，12(8):340-342.

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［8］ Tian Xiao-Qing，Liu Shao-Bin.Circularly Polarized Microstrip Antenna With Slots For Beidou Navigation System［J］.IEEE Transactions Antennas and Propagation，2010，12(6):1-3.