楊 放，衛(wèi)銘斐，王 民，王 純，周軍妮

（西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

微帶貼片天線是上世紀(jì)50年代問世的。由于微帶貼片天線具有很多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、剖面薄、重量輕、易與加工及批量生產(chǎn)、易于與載體共形及與微波有源電路集成，因此，自問世以來一直備受關(guān)注。圓極化天線在很多方面優(yōu)于線極化天線，因此圓極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)是天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于單點(diǎn)同軸線饋電的微帶貼片天線，實(shí)現(xiàn)圓極化的方法主要有：貼片對(duì)角線切角、在貼片上加載不等長(zhǎng)的縫隙、對(duì)角線饋電近似正方形微帶貼片、分形邊界的貼片等。這些方法本質(zhì)上都是通過形成兩個(gè)幅度相等，相位差為90度的正交模式來實(shí)現(xiàn)圓極化的[1-6]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)方形和圓形的貼片天線實(shí)現(xiàn)圓極化的研究較多，而關(guān)于圓極化三角形微帶貼片天線報(bào)道不多[7-9]?？偨Y(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)中單點(diǎn)饋電圓極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)方法，主要存在以下問題：頻帶較窄，不容易準(zhǔn)確調(diào)節(jié)天線的圓極化諧振頻率；為了實(shí)現(xiàn)圓極化，對(duì)天線縫隙尺寸的制造公差要求高。

除了在微帶貼片上刻槽能實(shí)現(xiàn)圓極化，在方形微帶貼片天線的接地板上刻方形或者圓形槽也能實(shí)現(xiàn)圓極化[10-12]。貼片上刻十字形槽可以有效降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)天線小型化[1，9]?；诖?，本文提出在三角形微帶貼片天線的貼片上和接地板上各刻一個(gè)同尺寸的十字形槽，通過調(diào)節(jié)十字形槽的尺寸和位置來實(shí)現(xiàn)尺寸縮減和圓極化。本文提出保持十字形槽的尺寸和三角形貼片邊長(zhǎng)的比值為0.25時(shí)獲得圓極化的方法。同時(shí)，可以通過改變輻射貼片上槽的大小改變電流的路徑調(diào)節(jié)天線的圓極化諧振頻率。本文提出的方法解決了單點(diǎn)饋電圓極化微帶貼片天線設(shè)計(jì)中存在的一些問題。

1 天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)

十字形縫隙加載圓極化等邊三角形微帶貼片天線及所建立的坐標(biāo)系如圖1所示。介質(zhì)基片選擇厚度為1.6 mm的FR4環(huán)氧樹脂板，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4。天線的饋電方式為50歐同軸線單點(diǎn)饋電，天線的饋電點(diǎn)位置在點(diǎn)F（-4.24，-4.24）。天線的總尺寸為50 mm*50 mm*1.6 mm，等邊三角形貼片的邊長(zhǎng)D=40 mm。在圖1（b）中，在貼片的中心加載一個(gè)邊長(zhǎng)為l1=10 mm的十字形槽來增大電流路徑從而降低諧振頻率，獲得天線的小型化。在接地板上嵌入另一個(gè)邊長(zhǎng)l2=10 mm的十字形縫隙實(shí)現(xiàn)圓極化和小型化。在設(shè)計(jì)過程中縫隙寬度保持在2.5 mm。仿真結(jié)果表明，當(dāng)接地板上的十字形槽在y軸上并距離坐標(biāo)原點(diǎn)d=17 mm時(shí)可獲得圓極化。

2 仿真結(jié)果及討論

圖1 十字形縫隙加載微帶貼片天線Fig.1 Equilateral triangle microstrip patch antenna with cross slot

本文采用ANSYS公司的電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。圖2為天線的回波損耗及Smith圓圖?？梢?，在2.246 GHz時(shí)回波損耗S11<-20 dB，天線與傳輸線獲得良好的匹配。圖3為天線貼片和接地板上的電流分布。由電流分布可見，十字形縫隙延長(zhǎng)了貼片及接地板上的電流路徑，電流分布在十字形槽的附近，從而實(shí)現(xiàn)了圓極化及天線的尺寸縮減。圖4為天線在φ=0平面的增益方向圖，天線的軸向增益為1.8 dB。圖5給出了天線軸向增益和軸比隨頻率的變化曲線。可見，天線的阻抗和圓極化帶寬分別為85 MHz（3.8%）和 22 MHz（1%）。因此，當(dāng)縫隙尺寸與貼片邊長(zhǎng)之比為0.25時(shí)，可以獲得圓極化輻射。改變貼片上縫隙的大小l2可以改變天線的圓極化諧振頻率。減小l2，天線的諧振頻率增大，而圓極化特性變化不大，如圖6所示。

圖2 回波損耗和Smith圓圖Fig.2 Return loss and Smith chart

3 結(jié) 論

本文提出了一種小型化圓極化三角形微帶貼片天線簡(jiǎn)便有效的設(shè)計(jì)方法。在貼片和接地板上刻十字形槽來實(shí)現(xiàn)圓極化和小型化。當(dāng)兩個(gè)十字形槽的尺寸為貼片邊長(zhǎng)的0.25倍時(shí)，可以獲得圓極化輻射。HFSS仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性和有效性。本文的仿真結(jié)果為圓極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考。

圖4 天線增益方向圖Fig.4 Power gain pattern

圖5 增益和軸比隨頻率的變化Fig.5 Variations of axial ratio and gain with frequency

圖6 軸比隨l2變化Fig.6 Axial ratio with different l2

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