文耀彤，刘能武，张志亚

(1.中兴通信股份有限公司无线产品经营部，陕西西安 710114;2.西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

从微带天线［1］的概念被提出以来，因其具有结构简单、体积小、重量轻、剖面低、易与载体共形等优点，而广泛应用于卫星通信、雷达、射频识别、导航等领域。而圆极化微带天线又因其能够接收任意极化的来波，且其辐射的圆极化波可被任意极化的天线所接收的优点而备受青睐。圆极化天线的常用实现方法是单馈点馈电［2－3］，其方法是利用微扰电流的方式，分离得到两个幅度相等而相位相差90°的简并模实现圆极化辐射特性。单馈点天线的缺点在于加工误差敏感，不易调试。使用多馈点馈电［4－7］是实现圆极化的另一种常用做法，直接在馈电点引入等振幅且相位相差90°的电流幅度。而其中双点馈电与单点馈点相比，其需额外的馈电网络为馈电点提供等幅且相位差90°的激励电流，结构相对复杂。但双点馈电圆极化天线的工作带宽较宽，且便于调试，所以该方式被广泛采用。

本文设计了一种宽带圆极化蝶形天线，采用双同轴线结合馈电网络馈电，其中馈电网络由威尔金森功分器和90°相位器共同组成，其馈电形式能够在较宽的频带内提供稳定的幅度和相位激励。在蝶形天线外围添加方形环，增加了天线的有效辐射面积，从而达到了提高天线增益的目的。仿真与测试结果表明，该圆极化天线VSWR＜1.5的阻抗带宽达到63.6%，3 dB轴比带宽达到66.7%，且在1.1～1.6 GHz频段范围内，右旋圆极化增益＞9.4 dB。因此该天线在卫星通信等领域具有广阔的应用前景。

1 天线结构

本文的天线结构如图1(a)所示。天线主要由印制在介质基片上的贴片、同轴巴伦、馈电网络和地板构成。印制板上下两面的贴片结构保持一致，同时印刷在介质基片的上下面通过金属化过孔进行短路。蝶形天线通过双同轴线进行馈电激励。两同轴线的外皮和同轴芯线分别焊接在对称的两个蝶形振子臂上，同时将焊接同轴芯线的臂通过短路销钉与地进行短接。使得同轴线的外皮和短接柱均接地，构成了两对短路传输线巴伦结构，以实现平衡馈电。在蝶形贴片外围添加了矩形环，并通过8个短路销钉接地，提升了天线的有效辐射面积，从而提高了天线的增益。馈电网络的结构如图1(b)所示，其主要由两部分的网络级联构成。一部分为等功分的威尔金森功分器;另一部分为具有宽带等相位差特性的90°相位比较器。所设计的馈电网络实现了天线在较宽的频带中提供幅度相等，相位相差90°的输出馈电。从图中可看出，端口A为输入端，端口B、C为输出端，分别接两同轴线对天线进行激励馈电。天线的结构参数如表1所示。

图1 天线的结构图

表1 天线参数

2 仿真和实验结果

利用基于有限元法的Ansoft HFSS 14.0对天线进行仿真计算。天线原理样机照片如图2所示。图3给出了天线3种情况下的电压驻波比曲线。由图可知，仅有蝶形贴片时，仿真VSWR＜1.5的频段范围为0.92～1.72 GHz，相对工作带宽为60.6%。添加方形环后，仿真VSWR＜1.5的频段范围为0.87～1.8 GHz，相对工作带宽为69.7%;而天线测试的VSWR＜1.5的相对工作带宽为63.6%，频段范围为0.88～1.7 GHz。仿真结果与实测结果之间的微小差异主要是由装配精度和实际测量环境引起的。

图2 天线样机

图3 天线仿真和测试电压驻波比曲线

在图4中给出了天线轴比的仿真和测试曲线。仅有蝶形贴片时，天线3 dB轴比带宽为57.1%。当添加方形环后，天线的仿真3 dB和测试的天线轴比＜3 dB的相对带宽均为66.7%。以上仿真和测试结果说明，所设计的天线具有较宽的阻抗和轴比带宽。

图4 天线测试和仿真轴比曲线

图5给出了天线工作在1.1 GHz、1.35 GHz和1.6 GHz频率下的归一化主极化和交叉极化的辐射方向图。从图中可看出，测试结果和仿真结果曲线吻合良好，且主极化辐射方向图基本对称。所设计天线的主极化辐射方向图就是右旋圆极化辐射方向图。从辐射方向图的测试结果中可看出，天线轴向的交叉极化比＞15 dB，即说明天线轴向的轴比＜3 dB。

图5 天线在1.1 GHz、1.35 GHz、1.6 GHz频点处的辐射方向图

图6为天线仿真和测试的增益曲线。仅有蝶形贴片时，在1.1～1.6 GHz频率范围内，天线的右旋圆极化增益在7.5～9.0 dB内变化。当在蝶形贴片外围添加方形环后，天线的增益提高到9.3 dB以上。由于方形环的引入，提高了天线的有效辐射面积，所以天线的主极化增益得到了提升。天线右旋圆极化增益的测试结果在9.4～10.2 dB范围内。天线样机增益的测试和仿真结果吻合良好。

3 结束语

图6 天线测试和仿真主极化增益曲线

本文分析并设计了一种宽带高增益圆极化天线。该天线采用双同轴线馈电，实现了VSWR＜1.5的相对阻抗带宽达63.6%和AR＜3 dB轴比带宽达到了66.7%。通过在蝶形天线的外围添加方形环，可提高天线的有效辐射面积，并提升了天线的主极化增益，使天线增益达到9.4 dB以上。该天线在电子侦察、干扰、电子对抗、全球定位等领域均具有广阔的应用前景。

［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.

［2］ LO W K，HU J L，CHAN C H，et al.L － shaped probe feed circularly polarized microstrip patch antenna with a cross slot［J］.Microw.Opt.Technology Letter，2000，25(4):251 －253.

［3］ NASIMUDDIN，CHEN Z N，QING X M.A compact circularly polarized cross shaped slotted microstrip antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas Propag，2012，60(3):1584 －1588.

［4］ TARGONSKI S D，POZAR D M.Design of wideband circularly polarized aperture coupled microstrip antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas Propag，1993，41(2):214 －220.

［5］ POZAR D M，DUFFY S M.A dual－ band circularly polarized aperture coupled stacked microstrip antenna for global positioning satellite ［J］.IEEE Transactions on Antennas Propag，1997，45(11):1618 －1625.

［6］ WONG K L，CHIOU T W.Single－patch broadband circularly－polarized microstrip antennas［C］.Proceeding IEEE Antennas Propag.Soc Int Symp Dig，2000(2):984 －987.

［7］ LAU K L，LUK K M.A novel wide － band circularly polarized patch antenna based on L－probe and aperture－coupling techniques ［J］.IEEE Transactionson Antennas Propag，2005，53(1):577 －580.

［8］ 陈滕博，焦永昌.一种宽频带圆极化微带天线的设计［J］.空间电子技术，2006(3):61 －64，2006.

［9］ 李静，许定国，程胜祥.基于RFID的小型圆极化天线的研究［J］.电子科技，2009，22(1):16 －19.