宽带多频微带天线研究现状

随着卫星通信及导航定位等技术的发展，圆极化微带天线以其独特的优势，得到了广泛的应用。同时为了适应通信系统的要求，对天线的带宽、工作频段以及体积等提出了更高的要求，为此国内外的学者们围绕如何展宽带宽、实现多频和小型化，展开了进一步的研究。

宽频圆极化技术

传统的微带天线无论是阻抗带宽，还是圆极化带宽都相对比较窄。为了展宽带宽，学者们提出了很多方法。

共面波导馈电

共面波导馈电在展宽天线带宽方面效果比较明显。Jia-Yi Sze和Chi-Chaan Chang采用共面波导馈电，同时在方形缝隙的两个对角上加载倒L枝节，通过调整两个枝节的长度和宽度可以使天线实现圆极化，如图1所示，调整方形缝隙中的微带线的尺寸可以更好的实现阻抗匹配。天线实测阻抗带宽为52%，轴比带宽大于25%。用共面波导对方形缝隙天线馈电，并在对角上加载E型缝隙以实现圆极化，天线的3dB轴比带宽最好可达到32%，驻波比小于2的阻抗带宽为54.8%。

图1　共面波导馈电圆极化方形缝隙微带天线

图2　L型贴片微带天线

图3　双缝隙环微带天线

加载技术

加载技术一直以来也是展宽天线带宽的重要技术之一。Wenquan Cao等人采用电阻加载技术设计了一款宽带圆极化微带天线，使用容性金属圆盘对辐射贴片进行电磁耦合馈电，同时将接地电阻与另一个容性金属圆盘相连接。天线实测阻抗带宽达到78.7%，圆极化带宽达到27.5%，带宽范围内天线最高增益达到6.8dB。

其他方法

在展宽微带天线带宽方面，还有很多其他的方法。文献利用多级威尔金森功分器设计了16元阵，每个阵元均是两点馈电的圆极化单元，按照顺序旋转馈电要求排列，使得轴比小于1dB的带宽达到47.8%。采用共面波导对L型辐射贴片进行馈电，如图2所示，其结构简单便于加工，调整L型贴片的尺寸可以展宽天线的轴比带宽和阻抗带宽，天线的轴比相对带宽可以达到17%，而阻抗带宽可以达到43%。

在文献中，采用多点正交耦合馈电，并附加寄生贴片，天线轴比的相对带宽可以达到45%，天线的增益也得到提升。T.-N. Chang 在贴片上开两个相连的缝隙环来展宽天线的轴比带宽，如图3所示。采用此种结构，天线轴比的相对带宽达到了46.7%，有明显的改善。文献中设计了一个缺陷地结构（DGS：Defected Ground Structure）的微带单极子天线，该天线采用非对称馈电，相对阻抗带宽可以达到102%，相对轴比带宽为32%。The-Nan Chang和Jyun-Ming Lin将U型带状线与地板共面，并在地板上开缝，通过调整U型带状线的尺寸可以展宽天线的阻抗带宽，通过调整地板上的缝隙，可以改善天线的圆极化性能，天线的相对阻抗带宽和相对轴比带宽分别为148%和60%。采用特殊结构也可以展宽天线的带宽，采用阿基米德螺旋结构设计的宽带圆极化微带天线的相对阻抗带宽可以达到135.48%，相对轴比带宽为108.26%。

图4　三层贴片堆叠三频双圆极化微带天线

图5　耦合馈电双频圆极化微带天线

多频圆极化技术

多频圆极化微带天线是适应于实际需求的另一个发展方向，在卫星通信和导航定位中广泛应用。国内外广大学者在这方面也有很多研究成果。

层叠结构

层叠结构是利用多谐振来产生多频圆极化的典型结构。图4中所示是一种通过层叠三个辐射贴片实现三频特性的双圆极化微带天线，天线通过对三个矩形贴片进行切角微扰来实现双圆极化。天线使用两个探针进行馈电，一根探针从地面穿过第一层对第二层贴片直接馈电，另一根探针从地面穿过第一层和第二层贴片对第三层贴片馈电。设计时天线上方添加一块介质板来提高天线增益。

图5所示的是一种双频圆极化微带天线。天线使用3dB定向耦合器作为馈电网络，对两层叠同心圆环贴片进行耦合馈电，天线覆盖L1和L2两个频段。天线在L1频段和L2频段的实测增益分别为7dB和6dB。采用层叠结构可设计一种三频圆极化微带天线，天线增加了金属圆台底座，增大了低仰角增益。

从理论上讲，微带天线通过层叠结构可以工作在任意频段，但实际工程应用中，达到三频以上就很难实现了，这是因为随着层叠数目的增加，馈电设计难度随之增加，同时频段间的相互影响也越来越大，对天线的设计提出了更高的要求，天线的体积也将变大。

多模工作

微带天线采用多模工作是实现多频段工作的重要手段。在贴片的四周开四个T型的缝隙，并在贴片的中心开一个矩形的缝隙。中心的矩形是为了实现圆极化，天线开四个T型缝隙之后，将工作在TM10模和TM30模，达到实现双频的目的。Behazad Naimian和Mohammad H. Neshati在上述结构的基础上在方形贴片的内部开四个L型的缝隙，天线在实现双频段工作的同时，也实现了小型化，在实际应用中具有很重要的价值。

其他结构

实现双频双圆极化还有很多其他的结构，通过改变单个方形环缝隙的一对对角处的缝隙宽度，可以设计一款双频圆极化微带天线。The-Nan Chang和Jyun-Ming Lin采用微带进行连续馈电，分别对方形贴片和方形环通过缝隙耦合馈电，实现了双频圆极化。采用多环缝隙结构能够设计一种新型的双频段圆极化可重构天线，能够满足移动通信系统对多频天线的需求。李建峰和孙保华等人设计了一款双频双圆极化微带天线，采用耦合贴片馈电，并附加集总电路滤波网络，有效改善了两个端口之间的收发隔离度，并采用高介电常数的介质，减小了天线的尺寸。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.017