收發分頻雙線極化微帶天線的應用

　本文設計了一種具有層疊結構的雙線極化方形微帶貼片天線，該方法用探針對下層貼片進行饋電，并通過耦合作用激勵上層寄生貼片，使微帶天線諧振于兩個諧振點，從而使天線可在兩個頻段上共達到12.2%的阻抗帶寬，同時，通過給相互垂直方向上的兩個端口正交饋電，還可以成功的實現雙線極化。

　　1 天線模型及參數設計

　　本文給出的天線模型如圖1所示。該模型采用正方形微帶貼片，因為正方形微帶貼片具有良好的極化輻射對稱性且易于加工制造。天線通過兩個端口的正交饋電來實現水平/垂直雙極化輻射。由圖1可見，該天線主要由金屬底板、方形輻射貼片和方形寄生輻射元組成，兩層輻射元均印制在邊長為60mm的方形 Rogers RT/duroid 5880(介電常數2.2，損耗角正切0.0009)介質板上，下層介質板高2mm，上層介質板高3mm，兩層介質板之間用厚度為1mm的空氣層隔開。兩饋電點的位置均位于下層貼片的中心線上，其中port1位于x方向的中心線上，距離貼片中心距離為d1，port2位于y方向的中心線上，距離貼片中心距離為d2。

　　設上下層貼片的初始諧振頻率分別為2.07GHz和2.25GHz，則由式(1)可計算得到下層貼片的初始尺寸L1為48.9mm。

　　式中：c是光速;f為諧振頻率;εr是介質的介電常數。

　　計算上層貼片的邊長涉及到厚度為1mm的空氣層，可按式(2)計算從上層貼片到接地板之間包括空氣層和兩層介質的等效介電常數(εe=1.83)，再用εe替換(1)式中的εr，從而計算出上層貼片的邊長L2為49.4mm。

　　式中：i表示介質的層數;hi是第i層介質的厚度;εri是第i層介質的介電常數。

　　經計算，可得出圖1中各參數的初始尺寸，見表1。

2 仿真結果分析

　　對表1中給出的各參數的計算值可用仿真軟件HF-SS作進一步的優化，以便在所要求的設計頻段內(發射頻段：2.025GHz～2.120GHz，接收頻段：2.2GHz～2.3GHz)得到最好的反射損耗S11參數曲線，圖2所示是反射損耗S11和端口隔離S12參數的仿真曲線。

　　由圖2可見，在所設計的頻段內，反射損耗最大值也在-6dB左右，大部分都在-10dB以下，即S11小于-6dB的阻抗帶寬在發射頻段為1.96 GHz～2.13GHz，在接收頻段為2.22GHz～2.31GHz，計算其相對值在發射頻段和接收頻段分別達到8.2%和4%，此時兩端口的隔離參數曲線也都處于-20dB以下，可見端口隔離良好。另外，由于兩端口分別是垂直極化端口和水平極化端口，故也說明極化隔離良好。

　　該天線在中心頻率處的增益方向圖如圖3所示，可以看出，該方向圖半功率波束寬度約為2θ0.572°，可以滿足設計要求的2θ0.5≥60°。

　　另外筆者在天線的幾個關鍵頻點處的增益也做了仿真試驗，它們的增益向保形性良好。可以估計，在發射頻段和接收頻段內都能滿足半功率波束寬度大于60度的指標要求。此外，在各頻點2.02，2.07，2.12，2.20，2.25，2.30GHz的增益值都大于8dBi，并且隨頻率升高，其增益基本呈增大的趨勢。

　　3 結束語

　　本文提出的收發分頻層疊型微帶天線通過加載寄生貼片單元后，可形成雙峰諧振特性，從而取得了較寬的阻抗帶寬，而且在阻抗帶寬內的仿真增益均大于8dBi。此外，本天線還具有雙線極化特性，其通信信息容量較傳統單極化天線可增大一倍，故可廣泛應用于各種通信系統。