5.8GHz高增益圓極化方形四環天線設計

1引言

圓極化天線可接受任意極化的來波，圓極化天線輻射波也可被任意極化的天線接受到。隨著通信技術的發展，對高性能的圓極化天線要求也越來越高。常用的圓極化天線通常采用螺旋天線、微帶天線形式，與螺旋天線相比較，微帶天線結構簡單、成本低，所需空間小。但微帶天線頻帶窄，增益低。本文采用環天線形式實現圓極化，而環天線一直被用來實現線極化。直到80年代，通過在環天線恰當的位置開口或引入枝節[1-4]，可以使其產生圓極化。常使用的環天線形式有圓形、方形、菱形，以及三角形等各種形狀。

在無線電通信應用中，需要結構簡單成本低的高增益圓極化天線。對雙環天線結構，使用四元陣[2]可使增益提高到14.6dB，或使用腔型地板加子反射板[3]，使增益提高到11dB。這些都使結構復雜，需要的空間大，成本高。本文提出一種新的形式，結構由雙環變為四環，使天線增益提高到12.2dB，既不需要復雜的地板，也不需要排陣。本文設計的天線工作在5.8GHzISM頻帶（5.725GHz~5.875GHz）內，首先將四環天線與雙環天線進行仿真比較，分析四環天線的性能，最后給出實測結果。

2天線設計

如圖1（a）所示雙環天線，由兩個方形環組成，采用串饋型饋電形式。為使其輻射圓極化波，將開口取到饋電點處，形成倒S型使環上電流分布發生變化[4]。該雙環天線印刷在距地板高h的介質板底面，這樣可容易的與巴倫進行連接。優化缺口大小，形成左旋圓極化天線。將輻射貼片繞Y軸旋轉180度可容易的將左旋圓極化改成右旋圓極化。

在左旋圓極化方形雙環的基礎上加入新的左旋圓極化方形雙環，形成四環天線，如圖1（b）所示。兩個方形雙環天線尺寸不同，開口仍取在饋電點處。相鄰兩個大小不同的方形環并饋，與雙環比較，可增大電流分布。然后與奇對稱的另兩個方形環串饋，整體四環電流分布形成左旋圓極化。由于電流幅度增加，所以提高了天線的增益。輻射貼片仍印刷在距地板高度為h的介質板背面。仿真優化四環天線各個參數，使其形成左旋圓極化。

（a）雙環結構

圖1天線結構

在天線設計中，雙環天線、四環天線和巴倫選取相同介質板。介質基板材料厚度1.5mm，相對介電常數=2.2。地板均為半徑90mm的圓形銅片。

仿真優化天線具體尺寸：雙環天線邊長a=14.9mm，線寬d=0.8mm，間距w=1.5mm，缺口ds=1.0mm，高度h=13.2mm。四環天線邊長a1=21.0mm，a2=18.5mm，線寬d=1.2mm。間距w1=3.4mm，w2=1.8mm，缺口ds1=4.1mm，ds2=1.8mm，高度h=13.2mm。

本文選取寬帶漸變巴倫并引入匹配枝節，巴倫的底部與50歐姆的同軸線相匹配連接，頂部組成平行雙線與天線相連接。巴倫背面模擬地板，正面漸變線進行阻抗變換。通過調節巴倫漸變線的長度、匹配枝節的位置大小進行阻抗匹配。巴倫模型如圖2所示，具體尺寸b1=1.5mm，b2=4.5mm，b3=20mm，b4=4mm，h1=4.5mm，h2=0.6mm，h3=10mm。

圖2巴倫結構

3仿真與實測結果

本文使用軟件ansoftHFSS進行仿真，在仿真過程中，缺口大小和雙環間距對軸比影響較大。相鄰雙環間距增加，主極化副瓣升高，增益變低，軸比也變差；間距變小，交叉極化升高，軸比變差。高度h對增益影響較大，高度降低增益變高，高度升高增益降低。高度h也對軸比有影響，但影響較小。方形環的邊長影響諧振頻率，邊長變大，頻帶向低頻偏移，邊長變小，頻帶向高頻偏移。線寬d對軸比也有影響，影響較小，對阻抗影響較大。環間距w1和w2對阻抗影響很大。

經優化后的仿真雙環天線和四環天線增益方向圖在φ=0°和φ=90°兩個面相似并且對稱。在5.65GHz～5.9GHz頻段內各個頻點增益方向圖沒有明顯變化，如圖3所示僅給出φ=0°面中心頻率5.8GHz的仿真增益方向圖。