一種寬軸比帶寬L頻段圓極化貼片天線

摘要：圓極化全向天線由于其自身的性能特點，在現代無線應用中越來越受到廣泛的關注。提出一種寬軸比帶寬的L頻段圓極化微波貼片天線，該天線有上下兩個介質層，下層微帶饋線耦合饋電，接地面蝕刻十字交叉縫隙以幫助實現圓極化和改善上層貼片的耦合度。設計結果顯示，該天線3 dB軸比帶寬可以達到3．5％(1．023～1．060 GHz)，在有效帶寬內天線增益高于5．68 dBi，在中心頻率點(1．04 GHz)天線的前后瓣比高于20 dB。
關鍵詞：圓極化：微帶天線：全向天線：軸比

0 引言
隨著科學技術和社會的不斷發展，對天線的性能要求也越來越高，在現代的無線應用系統，普通的線極化天線已很難滿足人們的需求，圓極化天線的應用越來越廣泛，其主要的特點體現在以下幾個方面：
(1)圓極化天線可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線收到；
(2)圓極化天線具有旋向正交性；
(3)極化波入射到對稱目標時旋向逆轉，不同旋向的電磁波具有較大數值的極化隔離。
由于圓極化天線具有以上特點，因此，被廣泛使用在通信、雷達、電子偵察與電子干擾等各個方面。
圓極化微帶天線體積小、重量輕、剖面低，并且能與載體共形，除了在饋電點處要開出引線孔外，不破壞載體的機械結構，這對于高速飛行器特別有利。
圓極化天線的基本電參數是最大增益方向上的軸比，軸比不大于3 dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬。軸比決定天線的極化效率，同時表征天線極化純度的交叉極化鑒別率也可由軸比得出。因此如何表現出好的軸比特性，是圓極化天線設計的難點。
本文提出一種L頻段圓極化貼片天線的設計方案，仿真結果表明，該天線的軸比特性優異，顯示了天線具有良好的性能。

1 設計方案
1．1 設計思想
為了改善輻射圓極化的性能，一般采用兩點式饋電方式，兩個饋電點在空間上呈90°角，使用相位差90°的同幅信號饋電。可是這種饋電方式所需的功分電路占用了額外空間，增加了插入損耗，從而降低了天線性能。采用單點饋電方式可以避免兩點饋電形式帶來的復雜電路要求和額外的插損。
本文提出一種單點饋電天線形式，該天線包含一個方形貼片，采用與貼片對角線平行的一條斜線饋電。在天線接地面上蝕刻十字交叉縫隙，通過調整兩縫隙的長度及長度差，可以使方形貼片出現兩個鄰近的正交模式頻率，并且兩頻率的中心頻點上兩種模式相位差為90°，這樣就能在中心頻率點上激勵圓極化場分布。
加縫隙可以實現圓極化、改善天線的耦合度和帶寬，但縫隙的雙向輻射同時也會增加反向散射，因此設計天線時縫隙的大小相當關鍵。為了進行阻抗匹配，縫隙就不能太小；而由于縫隙在接地面上會產生反向輻射，為了減少反向輻射，縫隙又不能太大。
1．2 設計參數
復合開槽貼片天線構造如圖1和圖2所示。該天線包含兩個介質基層，上層稱為天線層，下層稱為饋電層，兩層之間以空氣分割。兩個介質層的介電系數分別為ε1=3．3，ε2=2．17，高度h1=1．6 mm，h2=2．4 mm，兩層中間的空氣隔層高度h3=2．6 mm。設計饋電層上面的微帶饋電線使特征阻抗為50 Ω，微帶線與貼片對角線平行，伸過貼片中心的長度Ls=16 mm。饋電層底面是中心蝕刻十字槽的金屬地，十字槽的長度Lx1=32．6 mm，Lx2=20 mm，槽寬2．5 mm。天線層含有金屬貼片，貼片的長度和寬度相同，即L=W=98 mm。