一種CPW饋電的寬帶圓極化縫隙天線

1 引言

圓極化技術作為天線理論和應用的一個重要分支，在通信及電子對抗等領域中得到廣泛應用。目前的圓極化天線主要以微帶天線為主，但微帶天線由于近似處理較多，所以設計的準確性并不太好，另外微帶天線的頻帶也較窄，普通的單饋電圓極化微帶天線帶寬一般不足3%，同時介質(zhì)基片的離散性也會影響到諧振頻率的準確性。共面波導(CPW)饋電的平面天線由于其輻射單元和饋電單元在同一平面內(nèi)，易于和有源器件集成從而形成多種饋電方式，近年來受到了較多的關注，但是大部分圓極化寬帶天線是用微帶線饋電，關于CPW饋電的圓極化平面天線的報道較少見。

2 天線設計

天線的結構如圖1所示，在厚度為h，介電常數(shù)為ε，邊長為G的正方形介質(zhì)板上開了一個邊長為L的正方形縫隙，縫隙中引出兩個連接的橢圓形金屬片。該天線用50Ω的CPW饋電，CPW激勵長度為L3，寬度為Wf，伸出激勵帶條長度為L2，寬度為基板選用h=0.8mm，ε=4.6的介質(zhì)材料，邊長G=60mm，Wf=3.1mm，g=0.3mm。

圖1 天線結構圖

采用HFSS軟件對橢圓金屬片的位置及尺寸進行參數(shù)分析，優(yōu)化設計出該天線的最佳結構尺寸。最終得出的結構參數(shù)為L=40mm，L1=17.5 mm，L2=23mm，L3=5mm，兩個主半徑為10mm，比率0.25的橢圓金屬片相連接，置于正方形縫隙對角線的上部。

3 仿真和實測結果

圖2給出了該天線軸比的實測結果和HFSS仿真結果的比較。實測的3dB軸比頻帶為2.32-2.57GHz，相對帶寬達到了10.4%。圖3給出了天線S參數(shù)隨頻率變化的曲線，回波損耗-10dB的頻帶為2.38-2.76GHz，達到了15.5%，由此可見，天線具有很寬的阻抗和軸比帶寬。

圖4給出了天線的增益仿真曲線。由圖可知，天線在1.5-3.0GHz之間，增益變化均1dB，具有很寬的1dB增益帶寬。而在3dB軸比帶寬內(nèi)（2.32-2.57GHz），天線的增益均處于2dB到3dB之間。

圖2 天線的軸比實測結果和仿真結果

圖3 天線的回波損耗仿真結果

圖4 天線的增益仿真結果

圖5（a）、（b）、圖6（a）、（b）和圖7（a）、（b）分別給出了在2.32GHz、2.45GHz和2.57GHz時，天線在x-z，y-z面的方向圖。

(a) x-z plane

(b) y-z plane

圖5 天線在2.32GHz的方向圖

(a) x-z plane

(b) y-z plane

圖6 天線在2.45GHz的方向圖

（a）x-z plane

(b) y-z plane

圖7 天線在2.57GHz的方向圖

本文所給出的圓極化天線輻射的是左旋圓極化波，要實現(xiàn)右旋圓極化，只需將橢圓金屬片放置于相反方向的對角線上方即可。可見，該天線能夠方便的實現(xiàn)左、右旋圓極化。

4 結論

本文給出了一種由CPW饋電的寬帶圓極化縫隙天線的設計方法。通過兩個連接的橢圓形貼片，激勵出一對相位差90º的正交簡并模，進而實現(xiàn)圓極化特性。同時，只需將貼片置于矩形縫隙的另一對角上，即可方便的改變圓極化的旋向。該天線結構簡單，測試結果表明具有10.4%的軸比帶寬，在該頻段內(nèi)，天線的增益變化小于1dB，所以該天線具有良好的圓極化特性。