一种新型的圆极化贴片天线的研究.doc

第二部分 微波毫米波天线与散射
一种新型的圆极化贴片天线的研究
张继龙 卢春兰 钱祖平
（解放军理工大学通信工程学院，江苏南京，210007）
摘要：本文研究了圆极化微带贴片天线，通过在普通圆形贴片开槽，提出了一种结构新颖的圆极化贴片天线。仿真以及实测结果表明，该天线具有较宽的3dB波瓣和良好的圆极化性能，并且新型贴片天线的尺寸要小于普通的圆形或圆环形贴片天线的尺寸。
关键词：贴片天线；圆极化；轴比
A Novel Circular-polarized Microstrip
Patch Antenna
Zhang Ji-long Lu Chun-lan Qian Zu-Ping
（Communication Engineering Institute of Science Technology University PLA, jiangsu nanjing,21007）
Abstract: In this paper a novel circular-polarized microstrip patch antenna is given based on the study of common circular microstrip patch antenna. This new type of patch looks like common circular patch with some slots. Numerical results and measured data indicate that the new patch antenna has a wide beam and good performance of axial ratio. The radiation pattern of the antenna is very good. Another property of the new patch antenna is that the size of new patch antenna is smaller than common circular patch or annular patch antenna.
Key word: patch antenna; circular-polarization; axial ratio

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1 引言 联系人：张继龙，Email:jilongzhang@

微带贴片天线由于重量轻、体积小、剖面低，此外还具有良好的方向性、灵活的馈电方式且容易与其他印刷电路集成等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。在卫星通信以及卫星定位系统终端设备中，有时候要求天线具有较宽的波瓣宽度和宽角度的圆极化轴比性能，而通常的圆极化微带天线仅在轴向有较好的轴比性能。目前，为了提高微带贴片天线的性能，加载技术[1,5]、PGB结构[2,3,4]，以及各种改进的馈电技术[6]得到了广泛应用。
本文对圆极化贴片天线进行了研究，提出了一种结构新颖的微带贴片天线，该天线具有较宽的3dB波瓣宽度（100度）和宽角度的3dB圆极化轴比性能（120度），并且尺寸只有普通圆贴片的70%左右。
2 天线的结构及原理
普通的矩形或圆形贴片天线由于主要利用低次模进行辐射，由于低次模的谐振频率依赖于贴片自身尺寸的大小，当工作频率一定时，所需要的贴片尺寸大小基本上也就确定了。如果采取一定的技术措施，构造一种同尺寸的新型的贴片形式，屏蔽掉一些低次模或者加以破坏，使得低次模不能起振，而某些所希望的高次模能够在更低的频率上起振，进而缩小尺寸，提高频率，新的天线的尺寸将远小于普通贴片天线的尺寸。
从上述思想出发，本文提出的新型微带贴片的形式如图1所示。在普通圆形贴片上开缝，将贴片分割为两部分。贴片中间是形状为十字形的部分，在“十字”的四个臂上等幅相差90度馈电。
对于这种结构复杂的贴片天线，采用精确的解析方法进行理论分析难度较大，这里我们采用了数值方法进行仿真。首先我们对比分析同尺寸的普通圆形贴片天线和新型贴片天线。所分析的普通圆贴片的半径为100mm，新型贴片的结构参数R1为40.8mm，R2为98.5mm，使用相同的介质板，基板厚度为3mm。采用等幅相差90度的4探针对角馈电方式，两种贴片天线的回波损耗见图2。

图1 新型贴片天线示意图

图2 两种贴片天线的回波损耗
由图2可以看出，新型贴片天线能够很好的在低次模上谐振，且其基模的谐振频率接近于同尺寸普通圆贴片基模的谐振频率。相对普通圆形贴片天线而言，新型贴片的高频回波损耗要远大于普通贴片，即高次模得到了更好的抑制。
对于上述两种圆形贴片，几个主要的谐振模式的电场分布见图3。

（a）普通圆贴片谐振模式1 （b）普通圆贴片谐振模式2

（c）普通圆贴片谐振模式3 （d）新型贴片谐振模式1
图3 贴片天线的电场分布
由图3可见，普通圆形贴片天线的电场在贴片边缘呈多个半波分布，随着谐振频率的提高，电场在贴片边缘的半波分布的个数增加。新型贴片天线基模的电场分布（d）接近于普通贴片的第3个谐振模式（c），电场沿贴片边缘近似呈现4个半波分布。新型贴片由于缝隙的存在，破化了普通贴片的前两个谐振模式的起振条件，也抑制了部分更高次模的谐振。
3 新型贴片天线的辐射特性
我们分析了倒L形探针耦合馈电的新型贴片天线，其馈电结构如图4所示。探针穿过地板连接到一小段微带线上，由微带线对贴片进行耦合馈电。

图4 倒L形探针馈电结构
天线整体由几层PCB板组成。结构参数中，选择贴片参数R1=14.4mm，R2=34.8mm，PCB板厚度为3mm，耦合微带线的长度为18mm，宽度3mm。仿真结果如图5、图6、图7所示。

图5 回波损耗

图6 圆极化轴比

图7 方向图
从上述结果可以看出，新型圆极化贴片天线具有较宽的3dB波瓣宽度（100度），在3dB波瓣内圆极化轴比小于3dB，该天线具有良好的圆极化辐射性能,并且在水平方向为全向天线。对于相同的工作频率，采用普通圆贴片或圆环贴片，贴片的半径需要50mm左右，此尺寸要大于新型贴片的尺寸。
4 小结
通过对普通圆形贴片开槽，本文提出了一种新型的圆极化贴片天线，该天线具有较宽的3dB波瓣和良好的圆极化性能，并且新型贴片天线的尺寸仅为普通的圆形或圆环形贴片天线的70%左右。
参考文献
[1] Wong K. L，and Y. F. Lin. Microstrip-line-fed Compact Microstrip Antenna with Broadband Operation. [C]. IEEE Trans. Antennas and Propagation Symp. Digest，1998，2：1120- 1123．
[2] Chang I.，Lee B. and Hee Kyung．Design of Defected Groundstructures for Harmonic Control of Active Microstrip Antenna．IEEE Antennas and Propagation society international symposium. 2002, 6: 852-855.
[3] Padhi S. and Bialkowski M. Investigations of an Aperture Coupled Microstrip Yagi Antenna Using PBG Structure．IEEE Antennas and Propagation society international symposium．2002．6：752-755.
[4] Karmakar N,Mollah M,Padhi S.Photonic Bandgap Assisted Aperture Coupled Patch Antennas. IEEE Antennas and Propagation society international symposium. 2002.6:772-775.
[5] 吕文俊，程崇虎，程勇，朱洪波. 一种新型2.4GHz频段加载贴片天线的设计[J].电波科学学报.2004，19(6):730-734.
[6] Kin Lu Wong，Tzung-Wem Chiou．Broad-Band Single- Patch Circularly Polarized Microstrip Antenna with Dual Capacitively Coupled Feeds [J]．IEEE Trans．Antennas Propagation，Jan．2001，AP-49(1)：41-44.